全球时间的掌门人

    当从2008年进入2009年的时候，全世界的所有时钟都额外地多加了1秒。到底是谁掌控了我们的时间？让我们来拜会一下全球时间的掌门人。

    对于大多数来说，时间是一种“想当然”的东西。日出而作，日落而息。春夏秋冬，又一春。

    但究竟什么是时间？我们又是怎么测量它的？时间的速度是不是一尘不变的？时间是否有起点？时间最后会不会终结？

    这些绕人的问题看似更适合哲学层面的讨论，但在实际生活中却也是非常重要的。这不单单关系到了解我们在宇宙中的位置，还关系到21世纪全世界的正常运转。

    从金融交易到卫星导航，我们每个人都依赖于一个唯一而精确的时间系统。一旦在“时间”问题上出了差错，损失的可能不仅仅是金钱，还有可能是生命。而丹尼斯·麦卡锡（Dennis McCarthy）正是全球时间的掌门人，确保世界上的所有人使用着“正确”的时间。

[图片说明]：丹尼斯·麦卡锡（Dennis McCarthy）。

    和地球上的任何人比起来，麦卡锡更深知时间上的同步对于人们的重要性。但如果你不是成天和原子钟打交道的话，你怎么能体会到这一点呢？其实在你的身边就有一个活生生的例子——全球定位系统（GPS）。

    GPS通过围绕地球的30多颗卫星向地面的用户发布着高精度的时间戳信号，而这些信号会以光速传播。

空气阻力

    通过测量来自不同信号的到达时间差异，GPS就可以计算出你和卫星之间的相对位置，进而计算出你在地球上的位置。但是这一切的前提是，所有的时钟都是同步的。

    GPS系统的精度可以达到5米甚至更小，这意味着全世界GPS使用者之间的时间差异必须小于16个纳秒（1纳秒=10-9秒）。说起来容易，做起来难。

    直到1967年“秒”还是使用地球的运动来定义的。这与我们的直觉相符，地球自转一周是24小时，而1小时又包含了3,600秒。

    如果地球本身很“守时”的话，那么这个定义无可厚非。但地球偏偏不是。地球的自转每天会变化几千个纳秒，而造成这一变化的大部分是风的作用。

    当风吹向山脉的时候，它们就会加速或者减速地球固体部分的转动，并且把这部分固体的转动转移到地球的大气中。

    于是过了几年之后，地球自转的这些变化就会使得地球的转动不再和GPS所使用的高精度原子钟同步。

闰秒

    这正是麦卡锡所关心的。位于美国首都华盛顿，麦卡锡的工作就是紧盯着地球自转的微小变化，并且设置或者取消“闰秒”。

    麦卡锡的这一工作也是国际地球自转和参考系服务的一部分。它会汇总全世界一系列天文台对地球自转的观测数据，而对地球自转的监测则是通过对类星体的观测来完成的。

    类星体是极为遥远的星系，其中一些到地球的距离甚至超过了100亿光年。它们的中央则是一个超大质量黑洞，通过吸积物质可以发出相当于千亿颗恒星的光芒。

    由于类星体非常遥远，因此它们在天空中的位置相对于地球来说是固定不动的。这样一来它们就形成了一个非常稳定和精确的参考系，由此我们可以用它来测量地球自转的变化，并使得我们的时钟和地球自转同步。

90亿次1秒

    “在美国海军天文台我们有许多钟，”麦卡锡说，“原子钟会输出电信号，就像摆钟的摆动一样。”不同的是，摆锤摆动一次需要1秒或者几秒的时间，而原子钟每秒钟可以输出90亿次信号。这就为时间提供了一个非常精细的定义。

[图片说明]：位于美国海军天文台的原子钟。

    但是问题好像并没有就此结束，让全世界的时钟同步是另一个更基本的问题。

    1905年爱因斯坦的狭义相对论证明不存在绝对的时间。宇宙中任何一个地方的时钟都和其他的时钟有着不同的速率。对于GPS来说，这是一个严重的问 题。由于卫星位于引力场较弱的高空而且以高速在轨道上相对于地面运动，这就会使得卫星上的时钟和地面上的每天会差上40,000纳秒。

    40,000纳秒就相当于12千米，因此你就会看到问题的严重性。爱因斯坦1905年的狭义相对论和1915年的广义相对论都被用来校正这一时间“漂移”，只有这样GPS才能正常运转，飞机和轮船才能平安到家。

    这就是看似简单的让全世界时间同步背后的复杂故事。