怎麼理解閏秒與世界協調時?地球自轉加快,時間就變快…


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怎麼理解閏秒與世界協調時?地球自轉加快,時間就變快了嗎?

春節前,央視播發了一條新聞,說是現在地球自轉速度加快了,因此時間流逝比過去半個世紀任何時候都快了。其實這種說法是不准確的,時間本身並沒有加快,正是這樣才有比較,比較的結果是地球自轉加快了。

  • 時間是客觀存在與主觀認知的結合體。

為什麼說時間既是客觀存在,又帶有主觀性質呢?這是因為我們宇宙時空物質是三位一體的,空間是物質的張量與容器,物質是空間存在的依據,時間是物質和空間變化的根據。沒有空間,物質就沒有容身之地;沒有物質,空間就是虛無不存在的;而沒有時間,就無法衡量空間的張量和物質的變化。

這個世界的一切物質都在運動變化著,而且是一直向前不可逆轉,因此時間也是一往無前永不回頭的。這就是客觀之間。但人類認識了時間後,為了用時間來描述記錄我們的世界,就根據地球自轉以及與太陽的公轉關係,確定了時間刻度,1年約365.25天,1天為24小時,1小時為3600秒。

如果我們宇宙存在地外文明的話,那麼它們認知的客觀之間是與我們一樣的,但採取的主觀時間一定不一樣。因為它們存在​​的星球運行肯定會與我們不一樣。如果是火星人,圍繞著太陽轉一圈相當地球686.971天,自轉一圈約24小時39分35.244秒;海王星1年則相當地球164.8年,1天約16小時6分36秒。因此,它們一定不會按照我們這樣來計時。

  • 客觀時間放之宇宙而皆準。

在宇宙任何地方,客觀時間流逝是一樣的。比如元素的衰變週期,或者說原子的震動頻率。鈾(U)238的半衰期為45億年,這在任何條件下都是一樣的,不管是地球人類還是外星文明,只要達到一定的科技水平,都能夠檢測出來,這種時間就是客觀的。

地球人按自己主觀時間刻度將鈾的半衰期定為45億年,如果有火星文明存在,它們也是以圍繞著太陽轉一圈算1年的話(當然它們怎麼表述不重要,重要的是這個意思) ,它們表述鈾238半衰期就是約23.9億年;而海王星文明則表述約3065萬年。

這也是旅行者一號搭載了一小塊鈾的目的。如果旅行者一號在若干億年後被地外文明捕獲,這些智慧體就能夠從這塊鈾238的衰變狀態,計算出旅行者一號從家園出發的時間。

  • 人類的“秒”是怎麼確定的?

人類現在以原子鐘精確計時,時間協調時是一個很複雜的系統,就不一一細說了,簡單地說,就是根據原子躍遷頻率來確定秒的時間。如用銫-133計時,當向銫-133施加能量時,銫-133電子受到激發就會發生躍遷,並釋放出固定頻率的電磁波,也就是所謂“共振頻率”,人們把銫-133在零磁場中共振9192631770次的時間,定為1秒。

這種原子振動頻率在任何地方都是一樣的,因此也是客觀的。根據愛因斯坦相對論,時空在速度和重力條件下是相對的,不同速度或重力系統中,時間流逝快慢是不一樣的。這是不是就影響了時間本質的客觀性呢?時空通訊認為,沒有。因為不管是人類還是地外文明,在不同的引力場或速度系統中,監測到的時空膨脹效應都應該是一樣的。

  • 世界時間精確性已經達到阿秒級。

何謂阿秒? 1秒等於1000毫秒,1毫秒等於1000微秒,1微秒等於1000納秒,1納秒等於1000皮秒,1皮秒等於1000飛秒,1飛秒等於1000阿秒。因此,1阿秒就是100億億分之一秒。現在的世界協調時間誤差小於1000億億分之一秒,也就是數億年乃至百億年才會相差1秒。

現在的世界協調時就是根據原子振動頻率為秒長確定的計時單位,本身與地球自轉沒有什麼關係,但當與平均太陽時相差達到0.9秒時,就會根據地球自轉是減慢了還是加快了,就會調整正或負1個閏秒,也就是在原來的時間上加1秒或減一秒,這樣就能保證時間與地球季節的協調一致。

不同原子被激發的電磁波頻率是固定不變的,不管是在地球上還是在任何其他宇宙環境都是一樣的,因此這種頻率是客觀的,這樣人類的1秒就是根據客觀時間制定的,不會變化的。但電磁波頻率本身沒有一個整數,都是取一個近似值,這樣就會有誤差存在。

目前世界上最精準的原子鐘,如英國國家物理實驗室的NPL-CsF2原子鐘,1.38億年才會正負誤差1秒,而現在澳大利亞科學家正在研製的釷-229原子核鐘,將把誤差1秒時間延長到1400億年,也就是如果用這種鐘計時,從宇宙誕生到現在138億年誤差不會超過1/10秒。

  • 因此,客觀時間永遠不會加快和減慢。

所以,央視說的時間變快了實在是一個誤區,客觀時間是永遠也不會加快或減慢的。但地球自轉並不是絕對均勻的,會有微小的快慢變化,央視只是把這種變化說成是時間發生了變化。正是1秒還是1秒,才能夠衡量到地球轉動的快慢。

那麼一時鬧得沸沸揚揚的地球自轉速度加快,到底加快了多少呢?據科學家監測表明,1天也就快了不到1毫秒。 1毫秒是多少呢?也就是1000分之一秒。也就是地球自轉一圈,也就是一個晝夜本來需要86400秒,現在少了千分之一秒,就是只有86399.999秒了。

據中國授時中心科學家們發布的消息,地球在2020年自轉加速了,最為明顯的是2020年7月19日,這一天比24小時短了1.4602毫秒,創了半個世紀以來加快的最高記錄。但這種加速並不是每天都平均的,授時中心科學家預測,在2021年,地球自旋加速會讓每天縮短0.05毫秒,這樣1年就要縮短18.2625毫秒,也就是約0.018秒。

  • 地球自轉整體趨勢是變慢的。

地球從誕生以來,轉速就一直在緩慢地變慢。 45億年前地球剛剛形成時,轉動速度比現在快多了,只約6小時就自轉一圈,1年要轉1千多圈,也就是有1千多天。那時地球距離太陽比現在近很多,月球距地球也比現在近很多。

6億年前,地球自轉一圈每天約22小時,現在則為24小時,我們可以大約算出,地球自轉平均每年變慢0.012毫秒。因此這個變化看起來很緩慢,但如果按照這種趨勢下去,未來10億年,地球每轉一圈將減慢12000秒,也就是每天要延長約3.33小時,這樣每個晝夜就有27.33個小時了;到了50億年後太陽毀滅時,地球自轉一天將延長60000秒,每個晝夜就有36.67小時了。

  • 那麼地球自轉為什麼會越來越慢呢?

導致地球變慢的原因比較複雜,最主要是太陽和月球對地球形成的引潮力導致。所謂引潮力就是由於引力加在天體表面位置的力度不一樣,導致天體變形,尤其是流體變形得厲害,就會有讓天體相互鎖定的趨勢。所謂引潮力鎖定,就是天體公轉和自轉完全一致了,看起來兩個天體就永遠只有一面相互對著。

一般來說,大天體會更早地鎖定小天體,比如月球就被地球潮汐鎖定了,因此月球就總有一面向著地球,看起來就沒有了自轉。實際上月球自轉和公轉一致了,圍繞著地球轉一圈,自己也轉一圈,這樣看起來就沒轉。

太陽和月球對地球的引潮力也有不斷讓地球自轉變慢,最終鎖定的趨勢。尤其是月球距離地球較近,因此對地球引潮力更大,每天海洋的漲潮落潮就主要是月球引力導致的。一些科學數據監測認為,地球的自轉速度現在每個世紀約減緩0.00164秒。根據這種趨勢計算,一直到太陽系毀滅,地球都不會被潮汐鎖定,而且還早著呢。

  • 地球自轉變慢只是總趨勢,中途會有波動和變化。

因為影響地球自轉的因素很多,其中就有地球內部結構的變化,如地球重心變低就會導致地球自轉速度加快。這有點像冰山芭蕾演員的表演,當演員在冰上做旋轉動作時,手足展開旋轉就會比較慢,而手足收縮抱成團,旋轉就會驟然加快,看得我們眼花繚亂。

這就是所謂角動量守恆。這個理論告訴我們,當一個既定質量的物體動量不變的情況下,體積縮小轉動的速度就會更快。地球隨著時間的推移,核心一直在漸漸變冷,地核就會收縮,導致地幔沉降,重心就會下移;這些活動會引起地震,一些大地震更加劇了重心的變化,這是地球自轉加快的原因之一。比如2011年日本9級大地震,科學家們就監測到地球自轉加快了1.8微秒。

還有由於人為因素導致地球氣候變暖,冰川融化,使地球表面質量分佈發生變化,這也是引起地球自轉加快的一個原因。但一般認為這種加快只是在不斷變慢的總趨勢中一個插曲,最終的自轉變慢趨勢還是不變的。

因此,有人擔憂地球自轉會越來越快,最後把人都甩出去,最終地球會分崩離析而毀滅。這種想法毫無根據,且沒有必要。

  • “閏秒”是什麼?

說了這麼多,都說明時間本身並沒有變化,變化的只是地球自轉,根據沒有變化的時間衡量,才能夠知道地球自轉比過去快了。那麼這種每天快或慢的變化,要不要調整時間呢?日積月累,未來1天豈不越來越對不上標準時間了?

別擔心,科學家早就有保證時間不錯亂的工具,就是“閏秒”。

就像閏年閏月一樣,為了把時間與地球自轉和公轉對整齊,科學家們也確定了一個“閏秒”,就是根據地球自轉減慢和加快,每天時間都會變得多或者少那麼一點點,日積月累就可能改變一天時間,達到一定程度就“閏”一下,就把時間又對準了。

這個“閏”絲毫也沒有改變客觀時間的規律,原子共振頻率確定出來的“秒”依然是精準的,只是當地球每年積累誤差達到0.9秒時,就將時間增加或者減少1秒,這樣就把過去欠缺或超過的時間調校回來,1年就還是1年。

比如現在對照50年前的時間,已經快了0.5秒,如果按照2021年地球自轉每天平均要快0.05毫秒的話,1年就要快18.25毫秒,一直按這個趨勢,除去已經快了0.5秒計算,達到0.9秒誤差還需要約22年。因此如果一直這樣快下去,也還要在22年後才會調整1閏秒,以使計時和地球自轉及與太陽關係相符。

  • 閏秒已經調整多次了。

自從人類有了精確計時工具後,截止到現在,已經進行了27次閏秒調整,均為正閏秒,就是向後撥1秒,這就是說,地球自轉都是越來越慢的趨勢。當累計減慢0.9秒時,在半年或年終最後一天時,讓最後1分鐘成為61秒。

距今最後一次閏秒調整是在2016年12月31日,格林威治時間在這個時刻,將23點59分後59秒跳到0點,調整為60秒跳0點,這樣這一天就增加了1秒。而北京處於東八時區,調整時間在2017年1月1日,7點59分59秒後面加1秒。這種調整叫“正閏秒”調整,這就是所謂世界協調時。

  • 那麼地球自轉變快會來一次負閏秒調整嗎?

這得看地球自轉加快最後累計時間會不會減少到達0.9秒這個界限。從地球一直自轉變慢的趨勢來看,這種變快的現像一般只是偶然的,不持續的。

如果這種現像中斷,地球又開始自轉變慢了,這種負閏秒的調整就沒有必要了。不管是正閏秒調整還是負閏秒調整,都是一個非常嚴肅的事情,不能隨意變動,要全球同步行動。因為現在社會已經對時間有非常精密的要求,1秒鐘時差就會導致整個社會發生混亂,甚至巨大的災害。

比如炒股、發射宇宙飛船、導航定位系統等等,1秒之差都會導致謬之千里的錯誤。只要我們尊重科學,按照客觀規律認識時間問題,精準地做好調整,地球自轉這點快慢對人類社會生活是沒有任何影響的,大家就把心放在肚子裡好了。

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