众所周知,一分钟是60 秒。然而,过去其实曾出现过许多次“一分钟有61秒”的情形,原因是我们在历法中加入了“闰秒”。自1972 年至今,协调世界时(UTC)总共加入过27 个闰秒,大约平均两年就会插入一个闰秒。闰秒这是怎么一回事呢?它的功能又是什么?

在讨论闰秒前,先看“一秒钟”是如何被定义的。“一日有在这些时间单位中,“日”的概念是最天然而直觉的。在一天当中会有日出与日落、白昼与黑夜。而要如何定义一天到底有多长呢?

过去的人们以中午竿影达到最短的时间为基准,测量两次竿影达最短的时间间隔来得出一日的长度,这样定义出的一日就叫做一个“太阳日”。而有了一日的长度,就可以在以这个基准去切分成小时、分钟和秒等时间单位了。

然而随着观测与计时工具的技术提升,人们发现太阳每次达到最高点的时间间隔并不是完全一致的,而是会随着季节有数十秒的差距,代表每一个太阳日的长度并不是固定的。

但如果一日的长度是不固定的,那么以日为基准定义的时、分、秒等时间单位,长度也当然会跟着每天的长度不同而变化,这样,“今天的一秒,不是明天的一秒”的奇怪状况想必会产生许多问题。

因此“平均太阳日”就被定义出来以解决这样的问题。顾名思义,“平均太阳日”就是把一年当中所有太阳日长度取平均,定义出的时间长度就是一个平均太阳日,如此一来一日的长度就能固定下来,也就不用担心时间单位的长度会不断变化的问题啦!

但,真的是这样吗?

平均太阳日的出现没有让时间的基本定义就此定下来,因为不论是太阳日或是平均太阳日,它们的长度都是决定于地球自转的转速,然而地球的转速却不是完全稳定的。因此又有一段时间,秒的定义改成以地球公转的周期为基准订定,但任何以天体运行为基础定义出来的时间单位,都会有相似的问题:天体运行的周期不会是完全稳定不变的。

后来随着原子钟的发展,也为了尽可能让时间的基本单位是一个不会变动的定值,1967 年世界度量衡大会决议将一秒钟重新定义为“铯133 原子于基态之两个超精细能阶间跃迁时所对应辐射的9192631770 个周期的持续时间”,而以这个定义进行计时的时间则称作“原子时间”。

为什么会要加入闰秒,而闰秒又会带来什么困扰

改成以原子钟为基准后,时间基本单位的定义变得更加精确而稳定。不过这么一来,一秒的长度就与地球自转没有关系了。

但“日”的概念终究还是地球自转形成的,“一日有86400 秒”这样的单位换算也依然成立,如果长久下来都只以原子时间计时,我们使用的时间就会慢慢偏离实际的平均太阳日,也就是偏离地球的自转周期。

如果误差无限制的累积下去,或许就会出现明明时钟指着中午十二点,外头却是夜黑风高的景象。为了追求更加精确的时间单位,却让人类的计时计日与自然脱节,似乎就本末倒置了。

为了让UTC 中的一秒符合定义,又不要让其与实际地球自转周期渐行渐远,1972 年世界时间局决定让UTC 使用标准定义的秒来计时,并以「闰秒」来修正偏离太阳日的问题。每当UTC 与平均太阳日的时间差距达到约0.6 秒时,就会以闰秒修正,好让UTC 与平均太阳日不会出现超过0.9 秒的差距。

闰秒通常会插入在UTC 12 月31 日或是6 月30 日的最后一秒后面,而且每次插入闰秒都要提前半年公告。当闰秒插入时,UTC 就会出现“23 时59 分60 秒”,然而很多电脑系统并不认得这样奇怪的时间格式,因此插入闰秒可说是让许多电信、导航等系统工程师相当头痛的噩梦。

地球自转的些微加速,让UTC 已经超过五年没有加入闰秒,而目前科学家也还不能确定地球自转些微加速的趋势会持续多久,会加速到多快。小伙伴们,你们不妨猜猜看,下一次UTC 进行闰秒修正时,会发生什么呢?欢迎来评论区留言。