互动科普

1天的长度每日都有变化！

在1年之中，每一天的时间长度也在变化。这又是为什么呢？这里先来看1天的时间长度是如何测量出来的。

1天的长度本来是通过测量太阳在天空中从一次通过正南方（南中天）到下一次通过正南方所经历的时间决定的（在北半球）。不过，如果把1天的时间定在从太阳过南中天这个时刻（正午）开始，那么，人们在白天活动就会有从上午到下午需要改变日期的问题，自然十分不便。因此，1天的开始时刻被定在“太阳过南中天时刻12小时之后的那一时刻”。

按照福岛教授的解释，“太阳在天空中从一次过南中天到下一次过南中天需要比地球自转一周稍微多一点时间，这是地球同时还在围绕太阳作公转运动的缘故”。地球自转时，它同时也在公转轨道上移动位置。自转一周之后，从地球上同一地点看到的太阳在天空中的位置会略微向东偏离正南方。地球必须继续向东多转动这么一点，太阳才会再次到达南中天的位置。

地球在公转轨道上移动的这种影响还造成了太阳从一次过南中天到下一次过南中天所需要的时间每日都在变化。这是由于太阳在天空中移动的速度每日都略微不同，有些日子向前移动得快，有些日子向前移动得慢。所以如此，是因为地球在围绕太阳公转的轨道上运动的速度并不是均匀的。

前面已经提到，地球的公转轨道并不是完美的正圆形，而是略微有点扁长的椭圆形。地球在这条椭圆轨道上运动，移动到距离太阳相对较近的一段，速度会比较快；移动到距离太阳相对较远的一段，速度会比较慢。换句话说，地球围绕太阳运动的速度随时都在变化。

这种变化反映到从地球上看天空中的太阳，那就是太阳在天空中移动的速度每日都不相同，从而太阳过南中天的时刻每日不同。这就是1天的时间在不同日子长度不同的原因。

1天的时间长度每日不同，尽管差别非常小，那也会给我们带来许多不便。因此，现在是对实际太阳在天空移动的速度取1年的平均值，假想有一个以这个平均值在天空作匀速移动的太阳，根据这个假想太阳在天空中通过南中天的时刻来为1天定义一个恒定长度。这样定义的具有恒定长度的1天叫做“平均太阳日”。我们现在所使用的1天就是这种平均太阳日。

不过，使用这样的平均太阳日，太阳每日实际通过南中天的时刻就不一定是在这种平均太阳日的正午时刻。首先，使用同一时刻的地区（比如北京时间定在东经120°，它不正好穿过北京，而是穿过杭州）东西两侧不同地点在同一个太阳日的正午时刻，太阳在天空中的位置会明显地不同。例如在杭州某一日的北京时间正午时刻太阳正好在南中天的位置，而在东西两侧太阳则不在南中天的位置。其实，就是在杭州太阳并不是每天正午时刻都处在南中天的位置，而是一年中在东经120°线左右摇摆。

这种由平均太阳日确定的在一天中的时刻叫做“平均太阳时”（我们平时使用的就是这种时间）。平均太阳时不同于由真实的太阳移动所确定的“真太阳时”，两者之间的差异叫做“均时差”。由于存在着这种均时差，太阳过南中天的时刻不可能总是恰好在正午，每日都有所不同。这种差别最大可以达到十几分钟。

正是因为存在着这种均时差，才会拍摄到显示了太阳一年中在天空中描出一条8字形轨迹的那种“赤纬时差图”。这种赤纬时差图是每日在一个固定地点同在正午时刻经过1年的不间断拍摄而得到的一幅合成图像。倘若太阳每日正午都恰好位于南中天方向的话，由于存在着太阳高度随季节的变化，图像上的太阳应该排列成一条纵向直线。然而由于存在着均时差，太阳同时还在东西方向移动位置，于是就有太阳在天空中移动的这种8字形轨迹。

图1. 公转速度不稳定是1天长度变化的原因

求1秒的精确长度

到这里，我们已经知道了1年的长度和1天的长度之间的关系。接下来，我们再来看更短的时间单位1秒的长度是如何确定的。

1秒的长度被定义为1天长度的86400分之1（60秒×60分×24小时＝1天）。这里所说的1天就是上页介绍的平均太阳日。那是基于地球自转而下的一个定义，而定义的前提则是地球的自转速度始终不变，保持恒定。

但是到20世纪中叶，科学家有了新的发现，知道地球的自转速度并不是不变，而是在缓慢地逐渐变慢。这就是说，以基于地球自转的1个平均太阳日的长度为标准所定义的这种1秒的长度并不是固定不变的，而是在逐渐变长。通过实际测量，现在已经知道地球自转周期变长的效应1年积累下来能够达到0.8秒左右。

那么，地球的自转为什么会变慢呢？主要原因是月球的存在。在附近围绕地球旋转的月球所施加的引力正在使地球的自转逐渐变慢。

因此，想要更加精确地定义1秒的时间长度就必须要另外选用一种变化极小的更加稳定的时间标准。1956年，专门负责统一各种计量单位的国际度量衡委员会作出决定，将定义1秒长度的标准由地球的1天（自转）改为地球的1年（公转），也就是说，改由1年的长度来确定1秒的长度。

但是，地球的公转也要受到月球和其他行星的引力的影响。为此，必须求解一套十分复杂的方程才能够求出精确的公转周期，而且还需要先求出月球和其他行星的运动。即使在计算机上进行这种计算也需要花很长的时间。

因此又出现了一种更新的时间标准，这就是“原子钟”。原子钟是一种非常精密的计时装置，它通过计测某种原子在吸收和发射电磁波时的振动次数，将振动一定次数所经历的一段时间定义为1秒的长度。现在用作时间标准的原子钟利用的是铯原子。按照定义，1秒是“铯原子在吸收和发射电磁波时振动91亿9263万1770次所经历的一段时间”。原子钟非常精确，经过30万〜3000万年误差才只有1秒。

全世界共同使用的时刻

经度0°的位置现在是英国格林尼治天文台的旧址，以该处时刻作为全世界的共同时刻，这样确定的时刻叫做“世界时”（Universal Time：UT）。UT是基于地球自转的一种时刻。

然而，如前面所介绍的，基于地球自转的时间是不够严密的。因此，国际度量衡委员会在1967年作出决定，停止根据并不稳定的天体远动来确定时刻，改而利用计测时间更加稳定和精确的原子钟来确定时刻。这种时刻叫做“国际原子时”（法语Temps Atomique International：TAI）。

不过，有了国际原子时并不是说就要完全停止使用基于地球自转的时刻。我们的现实生活是日出而作，日落而息，而且需要按照季节行事。国际原子时虽然给出的是稳定而精确的时刻，却不能完全符合我们人类活动的要求。比如说，在遥远的将来也会出现已经到正午时刻而太阳还没有升起的问题，那当然会给我们的生活带来许多不便。所以，现在是用原子钟来定义1秒的长度，同时也设法将时刻调整到与地球的自转保持一致。调整的方法是插入“闰秒”。

地球的自转速度变慢，结果是基于自转的世界时（UT）会滞后按照原子时钟精确定义的1秒长度进行计时的时刻。换句话说，利用原子时钟计时的时刻会超前基于地球自转的时刻。为了使原子时钟的时刻与地球的自转保持一致，具体做法是当两者的差异积累到大于0.9秒时，便及时插入1秒进行修正。这就是闰秒。我们现在使用的就是这样计时的时刻，叫做“协调世界时”（Universal Time，Coordinated：UTC）。

图2. 地球自转变慢和“闰秒”

人类不可以没有日历和计测时间的方法

人类通过反复的尝试和修正来寻找编制与季节偏离最小的日历和精确计测时间的方法。我们的日常生活离不开日历和精确的时刻，发展科学，更需要精密测定时间的技术。例如，地球的自转速度逐年变慢，就是利用高精度的时钟测出了非常微小的时间变化才被发现的。

测量时间的精度，在过去是大约每过5年提高一个数量级。福岛教授说：“在所有的测量技术中，现在测量时间的技术具有最高的精度。”精确地测出时间便能够精确地测出距离和角度这些量。例如，地球到月球的距离，就是通过测量从地球向月球发射的激光往返一次所经过的时间间接求出的。这样求得的月地距离仅有数厘米的误差。

最近，研究人员又开发出一种叫做“光栅钟”的新技术，测量时间的精度比铯原子钟提高了1000倍。使用这种技术，比如说，有可能发现地球自转变慢现象中以前未能察觉到的更加微小的变化。这自然能够加深我们对于自己所在的这个世界的了解。  责任编辑/唐云江

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）