天文时，最自然的计时系统

要搞清楚闰秒，先得从历法的历史说起。历法是在天文观测中产生的。寒来暑往，日升日落，经过对自然节律漫长的观察，古人逐渐认识到年、月、日等时间概念。

1年，即1个寒暑周期，也就是约等于地球绕太阳一周的时间。更准确地说，真正的寒暑周期是太阳在黄道上运行1周的时间，即为1个“回归年”。月的概念则来自月亮的运行，月亮的圆缺周期就是“月”，或者叫“朔望月”。现行公历中也借用了这个概念，虽然它不再反映月相变化。“日”的概念最为自然，因为日夜的周期性最明显。我们取太阳两次到达某个点的时间差为一日，定义为“太阳日”。至于比年月日更小的时间单位，则是在“日”的基础上平分得到的。

有了年、月、日的概念，就可以构建历法系统。根据细节的区别，历史上曾经有过很多种历法系统，但它们都是在天体运行基础上建立起来的，所以这样的历法系统统称为“天文历”。

天文历的优越性不言而喻，但它所确定的天文时标有一个巨大缺陷，那就是时间长度的不均匀性。比如，如果地球自转速度发生了变化，那么由此得出的时间长度也会发生变化。

而随着科学技术的发展，对时间的精度要求越来越高，在很多精密科学中，失之“毫秒”，谬以千里。天文时的精度已经远远不能满足现代社会的需要，于是，原子时便诞生了。

传统的沙漏计时器，以及依靠太阳位置来测定时间的日晷，都是古老的计时装置。图/Wiki commons

原子时，精确而刻板的时标

科学家发现，原子内部的某些运动是非常稳定的，而且不受外界条件的影响，这给时间标准的再现和统一提供了方便。20世纪60年代，国际计量大会决定用“原子秒”取代原来的“天文秒”。

一般情况下，制订历法时先根据自然周期确定回归年、朔望月、太阳日等计时单位的长度，然后再划分秒长。比如，先测定1日的长度，再规定1日的86400分之1为1秒。但原子时与宏观自然周期没有本质的对应关系，它们的设置带有随意性和人为性。在制订时是先定秒长，再按照“60秒1分钟，60分钟……”的原则推得年月日的长度。

如何确定“原子秒”的长度呢？大自然中的固有周期当然是最重要的参照。比如，在较长一段时间内，利用原子时所得到的1天要尽量接近用太阳时得到的1天。否则就会给生活带来很多不便。

考虑到这一点，在1967年召开的第13届国际度量大会上，人们确定了原子秒的长度：以铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间为1秒。这个时间单位已经成为国际单位制中的基本单位之一。

既然秒长确定下来了，1天的时间也就确定了。无论地球自转如何变化，每天都是86400秒。在这个意义上我们可以认为，原子时是以秒长为出发点的。

但无论如何，原子时已经失去了时间的原始意义，尽管它可以调整到比天文时更接近日月运行的真实周期，但这其实只是外在形式上的接近而已。不过，还是有很多人认为，虽然原子时不是原始意义上的时间，但既然它异常精确，在日常生活中使用又何妨呢？

“子夜太阳”奇观？

主张在生活中使用原子时的人忽略了一个重要的事实，那就是，地球的自转速度并不均匀，从长远来看，这种不均匀并非时快时慢，而是越来越慢，所以误差只会逐渐积累。

而原子时丝毫不顾及天地得变化，它精确而刻板，按照自己的固有速度一往无前。如果简单地采用原子时，就会出现这样的情况：太阳升到了上中天，时钟却敲响了子夜12点。当然，这需要很长时间的积累。科学家估计，要经过数千年，两者相差才能达到12小时，才会出现“子夜太阳”的奇观。这看起来似乎微不足道，但它对于现代社会来说，是一个无法忽略的误差。

因此，天文时形象，原子时精确；天文时分日为秒，原子时积秒成日；天文时是诗人笔下的春云秋月、北雁南飞，而原子时则是加速器中转瞬即逝的幽灵；天文时宏大，以日月为载体，统摄世间万物；原子时精深，隐身于玄奥幽邃的原子之中，使万物谐调一致；柏拉图会对天文时的误差疑惑不解，柏格森则慨叹，原子时使人类离真实的时间又远了一步！

要现在人们使用的计时系统，其实就是天文时和原子时相调和的产物。图/deviantart.com

闰秒，协调世界！

天文时和原子时各有特色，却又都难以单独承担起为现代社会计时的重任。也许把两者的优点结合起来，会有一种更好的计时方式。我们现在采用的，正是这样一种计时系统——“协调世界时”。严格来讲，协调世界时不是一种单独的时标，而是原子时和天文时（世界时）相调和的产物。这个充当中介的“调解人”就是闰秒。

1972年，国际计量大会对世界时做了调整，方法是：当世界时与原子时之差将要超过0.9秒时，就在世界时的时序上加上1秒，这1秒称为“（正）闰秒”。因此，闰秒就是让原子停下脚步，等候太阳1秒钟。也可以说是原子向太阳“看齐”——精确的时间向不精确的时间“看齐”！

具体什么时候出现闰秒，由国际地球自转和参考座标系统决定。一般规则是，如果本年度有闰秒出现，那么它会出现于6月或12月最后一天的最后一分钟（这里说的是中时区的时刻）。正常的时序是“……23:59:59，00:00:00……”，有正闰秒时，要在两者之间加一个“23:59:60”，而有负闰秒时，只需在正常时序中去掉23:59:59即可。

协调世界时，在宏观上是天文时，在微观上是原子时。我们钟表里的秒针以原子时的频率跳动，却必须时刻不离天文时左右。这样协调的意义在于，两种时标的差距始终不会超过1秒，避免了时刻与自然节律的明显不一致。

历法改进，闰秒存废？

虽然闰秒有十分重要的意义，但并非所有人都支持它的存在。

地球自转越来越慢，所以闰秒的出现越来越频繁。自1972年以来，已经出现过24个闰秒，而且都是正闰秒。也就是说，在40年的时间里，原子时比世界时快了24秒。闰秒的出现频率显然太高。

更为棘手的因素是地球自转速度的不可预测性。假如地球自转均匀变慢，那么我们就可以像公历的闰年那样解决闰秒问题。但地球自转速度的不均匀，使得闰秒的出现没有规律。

对于普通人来说，闰秒无足轻重。但对于某些对时间要求较高的系统，如全球定位系统、金融交易系统和空中交通管制系统等来说，这1秒可能意味着误差、损失甚至灾难，成为新时代的“千年虫”。

为了应对这种现象，除了提高系统的智能程度，科学家还提出一些针对时标的建议。比如不用闰秒而采“闰时”，这样就能大大减小调整的频率，只需几百年或上千年调整一次。

但也有人坚持走精确路线，主张取消闰秒，同时连天文时也取消，而单纯用原子时计时。目前国际上这种呼声最高，包括计量、电信、无线电方面的国际组织，均支持这种做法。可以想象，几年之后，辉煌过近半个世纪的闰秒可能会退出历史的舞台。和它一起离开的，则是承载着人类童年之梦的天文时标。