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用了半个多世纪的闰秒,为何可能2027年就废除?

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南极的冰盖在加速融化,这件事正在动摇一套运行了半个多世纪的全球计时规则。

闰秒这个事,你问 AI,AI 都不一定能一下子讲得清楚,因为这个屎山有点乱。要弄明白它为什么可能被提前废除,得先回到"秒"这个单位本身。


从太阳到原子:秒被打了五次补丁

人类最早的时间靠太阳确定。日出日落随纬度和季节剧烈变化,而正午——太阳上中天的时刻——是比日出日落更精确、更稳定的天文参考点,大致只和经度相关。所以各地大多根据正午太阳的位置来确定时间的锚点,进而确定一天的长度。

后来光有"日"不够用了,欧洲人发明了时刻,中国人发明了更点。西方天文学大发展后,"秒"开始被频繁使用。明末清初,徐光启用古字中表示谷穗细芒的"秒"字,作为 second 的中文翻译。在西方,最初的"秒"被定义为一天的 86400 分之一。

第一次打补丁出现在 19 世纪。工业革命带来对更精确计时器的需求,机械钟表大发展,而机械钟表的构造意味着需要一个更均匀的时间单位。天文学家于是引入平太阳日的概念,把一年中真太阳日的平均长度作为一天,1 秒 = 1 平太阳日的 1/86400。

问题很快出现:地球自转并不均匀,既有季节性波动,又因月球潮汐等作用长期缓慢减速,导致每一年都不一样长。"平太阳秒"的长度实际上每年都在变,不能作为高精度时间标准。既然地球自转不稳定,那就改用地球公转。1956 年国际计量委员会定义、1960 年国际计量大会批准了历书时秒:1 秒 = 1900 年 1 月 0 日 12 时(历书时)回归年的 1/31556925.9747。

这个定义已经很精确,但实际使用中依赖天文观测,不方便,精度也有限。1955 年,第一台实用铯原子钟在英国国家物理实验室运行,利用铯-133 原子基态两个超精细能级之间的跃迁产生极其稳定的频率。1967 年,第 13 届国际计量大会正式定义原子秒:1 秒 = 铯-133 原子基态两个超精细能级之间跃迁辐射的 9192631770 个周期的持续时间。这个整数不是随便选的,它是当时测量得到的铯跃迁频率,目的是让原子秒尽可能等于历书时秒,使新秒与旧秒在长度上几乎无缝衔接。

秒的长度定下来了,还得有全球统一的起始计时点。1958 年,全球已有好几个实验室开始搞原子钟读数,把各实验室读数加权平均后形成连续、均匀的时间尺度,于是规定以 1958 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒作为国际原子时(TAI)的正式起步时间。

频率偏移太麻烦,于是有了闰秒

原子钟的秒长恒定,地球自转却在变化。为了让国际原子时能与实际的地球日中天时间吻合,差值要尽量保持在 ±0.1 秒以内。天文学家最初的办法是改变"一秒"的物理长度——人为设定一个微小的频率偏移量,产生协调世界时。比如 1961 年 1 月 1 日,这个偏移量被设为负值,意味着一秒比原子秒略长一点点,真实的钟走得比原子钟稍慢,从而逐渐追上因地球自转减速而落后的差距。

麻烦在于地球每年的自转时长都不同,偏移量也得一直变,1961 年到 1965 年间就变了好几次。天文学家还嫌不够精确,当频率偏移在 ±0.1 秒内时,还要做小的"步进调整",插入 0.1 秒甚至 0.05 秒的时间跳变值,比如 1961 年 8 月 1 日就进行过一次 +0.050 秒的步进调整。

这么调虽然精确,但太麻烦。无线电通信和导航把载波频率作为标准频率使用,而频率标准变来变去,意味着依赖的标准频率本身在漂移,人工干预多、出错风险高、维护成本巨大,引发了很多抱怨。

1972 年,大家坐在一起决定改革:彻底取消频率偏移,让一秒的长度严格等于原子秒,调整方式简化为仅使用整秒的"闰秒"。这既保证一秒长度的均匀与稳定,又通过偶尔的、可预测的整秒跳变,维持与地球自转的粗略同步。协调世界时(UTC)应运而生——秒长采用原子时,时刻上尽量靠近真实世界中地球自转算出的时长。当国际地球自转服务组织(IERS)监测到 UTC 与真实世界地球自转算出的秒长差距即将达到 0.9 秒时,就会发布公告,在下一个特定时刻(通常是 6 月 30 日或 12 月 31 日的最后一秒)增加或减少 1 秒。自 1972 年以来,人类已经增加了 27 个闰秒。

压垮骆驼的最后一根稻草,是南极的冰

大自然才不关心人类的计时。地球自转速度变化无常,闰秒无法提前精确规划,给全球计算机系统运维带来巨大负担。闰秒的插入会造成时间上的不连续,这对需要精确、稳定时间流的计算机系统是巨大挑战。2012 年,闰秒曾导致 Reddit 等知名网站出现系统崩溃,2015 年和 2016 年的闰秒也引发了新的技术故障。

但这些还能靠打补丁克服。真正的转折来自观测发现:地球自转的速度不是一直变慢的,目前反而有短期加快的趋势。

地球变暖,极地冰盖融化后,原本分布在高纬度的冰盖质量转化为海水向低纬度扩散。按照动量守恒,液态水向低纬度流动会让质量远离转轴,按理说该让自转变慢,就像滑冰运动员打开手臂会让旋转变慢一样。但这与观测到的自转变快相违背。

最近有人提出要考虑冰后回弹(Glacial Isostatic Adjustment, GIA)效应:极地厚冰盖消失后,地壳缓慢回弹抬升,同时地幔物质发生黏弹性调整,让地球整体略微变得更圆了一点(扁率减小),转动惯量降低,部分抵消月球潮汐摩擦导致的长期减速。有研究员根据 GRACE 卫星等的观测结果认为,正是这个效应导致被冰盖压住的地壳回弹,把地幔里的重物质拉向高纬度靠近转轴,这个拉近质量的效应比水流的拉远效应更强,与观测数据拟合得非常好,所以整体上还是让地球自转加快了。

还有人不认同,认为 GIA 效应很缓慢,不会这么明显地改变自转速度,于是又提出了外核减速理论。北大的宋晓东团队认为,地球内核存在一个约 70 年的旋转振荡周期,大约在 2009 年前后,内核开始比地幔转得慢了,这可能带动了外核的减速。外核与地幔之间有电磁耦合和粘性耦合,外核角动量减少的部分会通过耦合作用转移给地幔,导致地壳和地幔转得更快,表现为地表自转加快。

不论是哪种理论,观测结果就是自转加快了。2025 年 7 月 22 日这一天,成为有记录以来第二短的一天,当时地球自转一圈比标准的 24 小时快了大约 1.34 毫秒。日常生活中难以察觉,但这意味着未来有可能出现需要删除 1 秒的"负闰秒"。据估计,到 2035 年出现负闰秒的可能性约为 30%。这以前可没玩过,计算机设计时就没想过会少一秒,现有软件系统也根本没针对这个进行过大规模测试,可能导致数据库时间戳顺序错乱、分布式系统交易异常等一系列不可预测的严重故障,比正闰秒的影响大得多。

软件巨头联名上书,废止时间可能提前

基于这些原因,很多人开始呼吁废掉闰秒。主力军是软件巨头们,以谷歌、微软、亚马逊等科技巨头为首,联名上书要干掉闰秒。2022 年,第 27 届国际计量大会通过决议,决定最迟不晚于 2035 年不再引入闰秒。

但南极的冰盖融化在加速。为了应对可能提前出现的"负闰秒"风险,相关机构正在讨论将废止时间提前到 2027 年,并可能以跨度更大的"闰时"来替代闰秒——也就是攒着,等攒着的偏差能达到 1 小时了,再去整。

闰秒的诞生,是人类向地球自转不稳定的低头妥协。闰秒的取消,是对软件设计一开始就没考虑清楚埋下的雷的再一次妥协。这就是人类文明不断前进、不断打补丁的屎山代码史。

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