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        地球轉得越來越慢,竟然是月亮的鍋!

        時間:2021-07-28 10:19:38 來源:數字北京科學中心 評論:0 點擊:0
          文人都喜歡感嘆時間的易逝,李白說“光陰者,百代之過客也”;蘇軾在詞里也寫“朝來庭下,光陰如箭”;朱自清更在《匆匆》里追問:“我們的日子為什么一去不復返呢?”

          一個嚴肅的事實是:我們的時間雖然真的在變少,但每天的時間卻似乎越來越長。

          世界時

          衡量時間的多少,首先需要一套時間標準。一般情況下,制定歷法的依據是自然周期。由日升日落得到了一天的長度;月亮的圓缺周期決定了一月的長短;而一年正是地球的一個寒暑周期。

          從朔月(從地球上看不見月亮,對應農歷每月初一)到朔月或是從望月(從地球上看月亮為滿月,對應農歷每月十五左右)到望月之間的時間被叫做“月”,雖然現行的公歷已經不再反映月亮的圓缺變化,但無論東西方,對月亮的觀測結果都曾被運用于歷法中。而且,直到今天,我們依然把這樣一個周期稱為“一個月”。

        日晷日晷|pixabay

          這種建立于天文學基礎之上的標準是在人們長期對自然的觀察中產生的,它很容易被人們理解,但缺點在于時間長度的不均勻性。舉個例子,如果地球的自轉速度發生了變化,那么一天的長度就會發生變化。

          我們所在的地球雖然質量很大,但并不是一個自轉速度很穩定的星體。同時地球繞太陽的軌道也并不是一個完美的圓形,地球與太陽之間的距離也就不是一直相同。所以,隔一段時間(時間間隔不等)人們就要在歷法中添加一些例外來對時間進行校正。這也是按照天文觀測結果制定的歷法會出現閏月、閏年的原因。

          人們以地球自轉運動為基礎建立了世界時(UT,Universal Time)的概念,即格林尼治(位于英國倫敦,地球本初子午線的標界處)所在地的標準時間。

          現在常用的一類世界時UT1(Universal Time1)是由國際地球自轉服務(IERS,International Earth Rotation Service),通過人造衛星測定相對于一個遙遠的類星體(極度明亮的星系核心)位置的地球自轉,并通過一些參數修正來確定的。UT1可以準確反應地球在空間的角位置,故在天文學和地球物理學領域得到了廣泛應用。

          原子時

          隨著現代生活節奏的加快,人們對時間精度的要求也越來越高,尤其是金融交易和科學研究等方面,一秒的誤差都可能造成無法估量的損失。

          后來,科學家發現原子內部的某些運動具有很高的穩定性,于是1967年召開的國際度量衡大會上,人們將秒的長度確定為:位于海平面上的銫133原子基態的兩個超精細能級間,在零磁場中躍遷振蕩9192631770個周期所持續的時間。

        NIST-F1銫噴泉原子鐘 來源丨維基NIST-F1銫噴泉原子鐘 來源丨維基

          以此為基礎,每小時的時間都是3600秒,每天的時間都是86400秒,也就建立了一套新的時間標準,即為原子時。

          目前國際原子時(TAI,International Atomic Time)是全球50多個國家的實驗室中400多個原子鐘所測定時間的加權平均值。由于這些原子鐘的平均海拔已經超過了海平面,這使得它們組成體系的時間減慢了大約一萬億分之一,但不妨礙這種體系在計時上提供了前所未有的穩定性和精確性。

          協調世界時

          雖然世界時和原子時都非常準確,但現在世界各地使用的主要時間標準卻不是這二者之一,而是協調世界時(UTC,Coordinated Universal Time)。以本初子午線為0度,最西端的時區使用UTC-12,比UTC落后十二小時;最東部的時區使用UTC + 14,比UTC早14小時。

        游客在位于倫敦的本初子午線紀念碑合影 來源丨維基游客在位于倫敦的本初子午線紀念碑合影 來源丨維基

          由于地球的旋轉速度隨氣候和地質事件而變化,為了保持與UT1(也就是天文觀測結果)的近似,UTC有時會調整依據TAI計算的參數,因而具有不連續性,也就產生了閏秒(Leap second)。閏秒的間隔是不規則的,并且是不可預測的,這也使得我們總在要調整時間時才被通知目前所使用的時間已經與觀測到的時間不一致了,人生突然就會被加上一秒。

          事實證明這種做法具有很大的破壞性,例如2015年7月1日,就毫無征兆地“多了一秒”。在二十一世紀,很多服務依賴于精確的時間戳(利用數字簽名等技術產生的數據,包含時間等信息),因此時間的變化會引起很多網絡服務上的問題。有關的國際標準組織一直在爭論是否應當繼續這種做法。

          月亮在給地球“踩剎車”

          時間標準之所以變得這么復雜,主要還是因為地球的自轉速度太過隨性。

          地球自轉速度的規律可以總結為在長期變慢的基礎上時快時慢,其中長期變慢的原因就是月球。月亮作為離我們最近的鄰居,從古至今都廣受關注,每個晴朗的夜晚,清冷的月色都普照大地,給人們帶來種種遐想。但其實,月亮正在偷偷地給地球“踩剎車”,同時悄悄地遠離我們。

        阿波羅任務中從月球看向地球的照片 來源丨維基阿波羅任務中從月球看向地球的照片 來源丨維基

          這是因為月球與地球之間互相存在引力拉扯著對方,在拉扯的過程中地球上的海水隨之潮漲潮落,潮汐與地球的自轉并不同步,自轉的能量就有一部分被消耗在了海水與巖石的摩擦過程中。這使得地球的自轉速度減緩的同時,月球離地球的距離也越來越遠。

          具體來說,月球每年遠離地球3.8厘米,而每100年地球自轉的周期(1天)將會變長1.6毫秒。

          氣候使地球加速

          雖然月亮正在以微弱的力量讓我們的一天變長,但另外一個因素卻在努力地讓我們的一天變短,那就是氣候變暖。

          科學家通過原子鐘發現,地球的自轉速度在加快,伴隨著全球平均氣溫的升高,兩極的冰川正發生融化,這將使地球內部質量分布發生變化,地球的質量會更靠近地球的核心,自轉的速度也會隨之提高。近年來地球自轉速度正在加快,以至于其中一些科學家已經開始懷疑是否需要“負閏秒”,這是史無前例的建議。

          不幸的是,時間增減的絕對量以人類的感覺是無法察覺的。因此我們感到時間易逝,只是因為要做的事情還有很多,或者令人愉悅的時間過得太快之類的原因。根據實際測算,以目前的變化速度來看,我們離負閏秒還差得遠,地球上的一天還是在變得越來越長。
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