时间都去哪儿了？——闰秒的前世今生

1月12日，无数中文媒体刊发了这条源自中国科学院国家授时中心的新闻，还有媒体发出了这样的感叹：“‘要是时间能停下来那就好了，哪怕只有一秒钟。’以往在动画中出现的桥段即将发生在现实中”。时间真的会停一秒钟吗？钟表拨慢1秒钟是怎么回事？这一秒钟都去哪儿了？……要回答这些问题，就要先从时间的定义说起。

人人都能感受到时间的存在，然而时间究竟是什么，却没有人能够给出准确的说明。不过我们可以从测量的角度来准确定义时间。先秦古诗《击壤歌》中有这么一句“日出而作，日落而息”，生动地传达了原始人类对时间的理解：天上那个明晃晃的东西一出来，我们就劳作，它一下山，我们就要准备休息。慢慢地，人类形成了关于时间的第一个概念：日（day），就是太阳两次跃出地平线或者两次落入地平线的时间间隔。我们知道，太阳东升西落是地球自转的反映，所以一日实际上是地球自转一周所花费的时间，而地球也就成了一个天然的计时器。

只有“日”这个时间单位是远远不够用的，所以人类就产生了“星期”“月”“季”“年”“世纪”等累积起来的长计时单位，也产生了“时”“刻”“分钟”等人为划分的短计时单位。中国古代是把一天划分成10个“时”的，到了汉武帝颁行太初历的时候，才开始采用一天12个“时”的划法，此外由于使用漏刻这种计时工具，又有将一天划为百刻（或96刻）的做法，“时”与“刻”配合使用，所以反映古代生活的古装剧和旧书中常有“午时三刻”“酉时二刻”等形式的时间表述。近代以后，西方计时单位传入我国，hour这个单位被翻译为“小时”，而传统的“时”则被称为“大时”。

漏刻示意图

伴随着日常计时工具的进步，“刻”或者“分钟”用来描述时间已经不够精确，“秒”这个单位就应运而生了。首先我们把太阳两次通过头顶（天文术语叫“太阳上中天”）的时间长度定义为一日（天文学上称太阳日，如果用太阳之外的其他恒星上中天时间来定义，叫做恒星日，恒星日比太阳日短，是地球真实的自转周期），然后把一日划分为24小时，每小时划分为60分钟，每分钟再划为60秒，这样，一日的时间长度就可以等分为86400秒，这就是“秒”最早的定义。如果一个计时器滴答滴答走完86400秒的时候地球恰好转了一圈，那么这个计时器的走时就是准确的，我们就可以依据这个计时器的指示来获取准确的时分秒了。

然而地球自转的同时又在椭圆轨道上侧着身子绕太阳公转，这就导致太阳两次上中天的时间长度（真太阳日）并不恒定，经过测量，同一年中不同的日子里真太阳日最多能相差几十秒，这就意味着用真太阳日来校准人造时钟是不可靠的，为此人们采用了把真太阳日的时间长度进行平均的办法来消除这种不恒定。所以，我们日常用到的秒的时间长度是一个平太阳日的1/86400。地球上所有的人造钟表都要直接或者间接和地球的自转运动进行“对表”，它们计数86400秒的长度要严格等于平太阳日的长度，这就产生了基于平太阳日的时间系统，我们称之为“世界时”，英文叫Universal Time，缩写为UT，日常所说的“格林尼治时间”也是它。

不过地球的自转情况实在是太复杂了，例如已知地球的自转轴指向是时时变化的，月球对地球的引力也会导致地球自转轴出现有规律的变化，此外季节性的空气流动和海水流动会导致地球的重心发生改变……这些都会反映到地球的自转速度上来，使得平太阳日也不再那么可靠，怎么办呢？

办法有两种，一个是继续沿用天文观测的办法，只不过改用地球公转的时间长度来定义秒。长时间的天文测量发现，地球的公转速度虽然不均匀，但公转周期却是非常稳定的，完全可以将地球公转周期等分若干份来获得精确的秒长。1952年，天文学家制定了以地球绕太阳公转周期为基础的新的时间系统，这个时间系统称作“历书时”，英文叫Ephemeris Time，缩写为ET。历书时从1960年开始启用，到1984年就废弃了。

另一个办法就是使用新的时钟——原子钟。我们已经知道，秒这样的计时单位是人为划定的，既可以用地球自转周期等分86400份来定义，也可以用地球公转周期等分31556925.9747份来定义，那么我们可不可以用其他周期等分或累积来定义秒长？答案当然是可以。例如我们就可以用摆钟来定义秒长，或者用摆轮游丝驱动的表来定义秒长，但我们需要长期稳定可靠、精度高的钟表作为时间系统的基准，上面所说的这些机械钟表是远远满足不了需求的，它们的走时误差要远远大于地球自转的不均匀性。即便是利用电的振荡现象制作的电子表或石英表，其精度也达不到建立时间基准的要求。

随着物理学和技术的进展，人们发现原子核外电子在跃迁时释放或吸收的光子的频率非常恒定，能够用来控制和校准晶体振荡器，进而得到稳定频率的时间脉冲信号。1949年，美国国家标准局（NBS，现称美国国家标准技术协会，简称NIST）首先制造了一台氨分子钟，1955年，英国国家物理实验室（NPL）成功制造了第一台铯原子钟。通过对原子钟特别是铯原子钟的研究，发现它的精度非常高，稳定性也非常好，完全可以据此建立时间基准，于是1967年，在第13届世界度量衡会议上，正式决议以原子时的秒作为基本计时单位，规定1秒的长度是铯133原子在基态的两个超精细能级之间零磁场跃迁时所对应的辐射频率的9 192 631 770个周期持续的时间，以1958年1月1日世界时的0时为原子时的时刻起点。从此，人类正式抛弃天文秒而改用原子秒，所有的人造时钟都要跟小小的原子而不是庞大的地球来对表了。