うるう秒が到来したときに時間通りに出勤した場合、遅刻として表示されますか?

2017 年 1 月 1 日は特別な意味を持つ新年と言えます。東部標準時8を標準時間として採用している中国では、 「7時59分60秒」という不思議な現象に遭遇した。この「カチカチ」という音の余分な 1 秒がうるう秒です。これまでに世界では27回、うるう秒が導入されています。長い年月の間に、突然増える（または減る）これらの「余分な時間」の実際的な意味は何でしょうか?

01 うるう秒はどのようにして作られるのですか?

現在、科学には 2 つの時間測定システムがあります。地球の自転の天文学的測定に基づく「世界時」と、原子の振動周期によって決定される「原子時」です。簡単に言えば、うるう秒は協定世界時と原子時の差によって人工的に作られたものです。

世界時は地球の自転に基づいた時間スケールです。地球の自転を測定するために、人々は天球上の 2 つの基本的な基準点、すなわち春分点と平均太陽位置を選択しました。これらの点によって決定される時刻は、それぞれ恒星時と平均太陽時と呼ばれます。

恒星時は地球の自転角度に対応しており、地球の自転に基づく時間測定基準の要件を満たしていますが、観測が不便であるため日常生活やアプリケーションのニーズを満たすことができません。人々は太陽が東から昇り西に沈むのを観察することで時間を判断することに慣れていますが、地球の太陽の周りの軌道は楕円形であるため、実際の太陽の毎日の見かけの動き速度は一定ではありません。太陽の不均一性を克服しながら、実際の太陽の日周運動に基づいた時間測定システムを得るために、人々は架空の基準点である平均太陽を導入しました。天の赤道上を一定の速度で移動しており、その速度は実際の太陽の平均速度と一致しています。平均太陽日の夜を0:00として始まるグリニッジ標準太陽時は、世界時（UT）と呼ばれます。

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地球は球体なので、世界中の人々が日の出や正午の太陽を見る時間は異なります。観測者の位置の子午線に基づいて測定された時間は、地方平均太陽時と呼ばれます。同時に、地球上の異なる経度にいる観測者によって測定される地方の平均太陽時も異なります。その結果、さまざまな場所での時間の統一基準がなくなりました。便宜上、19 世紀半ばにヨーロッパとアメリカの一部の国では、主に首都や重要な商業港の子午線に基づいた統一された国家時間を採用し始めました。しかし、長距離鉄道輸送や海洋航行の発達により、人々の活動範囲は大きく広がり、国際交流における現地時間の使用には依然として混乱が生じています。 1870 年代に、タイムゾーンを区分するための世界の基準を統一し、ゾーン計時を実装することが提案されました。 1884年10月13日にワシントンで開催された国際子午線会議では、イギリスのロンドンの南東にあるグリニッジを通過する本初子午線を、標準時と呼ばれる世界標準の「時間帯」の起点として使用することが決定されました。世界の時間帯の区分は、科学研究の要件であるだけでなく、世界の経済および政治の発展の要件でもあります。

1960 年代以前は、世界時が基本的な時間測定システムとして広く使用されていました。この計時基準では​​、「1 日」と「1 秒」には厳密な変換基準があり、 1 平均太陽日は 24 平均太陽時間に等しく、これは 86,400 平均太陽秒に等しくなります。

現代の科学技術の急速な発展により、人々の時間の測定精度はますます高まっています。科学者たちは新しい時間周波数の標準を研究しており、原子の振動周期によって決定される原子時間が誕生しました。

1967年10月、インドのニューデリーで開催された第13回国際度量衡会議において、セシウム原子時計によって測定された原子時が国際時間標準として正式に定義されました。新しい秒の長さは、ゼロ磁場の海面におけるセシウム 133 原子の基底状態の 2 つの超微細エネルギー レベル間の遷移振動の 9192631770 サイクルに必要な時間として定義されます。これは1原子秒です。より大きな時間単位は秒数を加算することで得られます。秒の長さの定義が確立された後、秒の長さの定義を満たす世界各国の複数の原子時計が統合され、国際原子時 (TAI)が作成されました。

原子時は原子時計によって生成されます。 1 秒の長さは非常に安定しており、時間間隔の均一性に対する要求が高い場面のニーズを満たすことができますが、その瞬間には特定の物理的な意味合いはありません。世界時の瞬間は、空における太陽の特定の位置に対応し、宇宙空間を回転する地球の軸の位置の変化を反映しています。人々の日常生活に深く関係しているだけでなく、測地学、天文航法、宇宙船の追跡・測定などの科学技術分野でも実用的な応用価値があります。しかし、地球の自転速度はそれほど均一ではないため、世界時の 1 秒の長さはわずかに変化し、毎日の速度差は数千分の 1 秒に達することがあります。

この矛盾を解決するために、国際社会は調整のための「協定世界時（UTC） 」システムを採用することを決定しました。地球の自転によって生じる時間誤差が原子時計から 1 秒近くまで蓄積すると、UTC を世界時間と再調整するために時計を人工的に 1 秒増やすか減らす必要があります。

協定世界時の1秒の長さは原子時を採用しており、瞬間と世界時の差は±0.9秒以内に保たれています。 0.9秒を超える場合は、協定世界時に1秒の調整が行われます。この 1 秒の調整をうるう秒と呼びます。

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02 うるう秒は仕事の出勤にどのような影響を与えますか?

うるう秒の導入は地球の自転周期に関係しています。地球の自転が遅くなると、正のうるう秒が発生し、速くなると、負のうるう秒が発生する可能性があります。正のうるう秒が実装されると、23:59:60 が表示されます。負のうるう秒が実装されると、23:59:58 の次の秒は 0:0:0 になり、23:59:59 秒がスキップされることを意味します。

潮汐と地球の内部構造により、地球の自転は現在減速しており、これは世界時の秒の長さが原子時の秒の長さよりも長くなっていることに相当します。したがって、これまでに実装された 27 のうるう秒はすべて正のうるう秒です。したがって、うるう秒がプラスになったときに時間通りに出勤すると、1秒早く会社に到着したことが示されます。マイナスのうるう秒が発生した場合、1 秒遅れたことが示されます。

うるう秒が発生したときに時計の針に変化が見られないのはなぜか、不思議に思うかもしれません。

その理由は、当社の時計の計時原理に関係しています。ほとんどの人が使用する時計は、電子時計、クオーツ時計、または機械式時計です。タイミングの原理は、時計の内蔵発振器を使用して均一な秒を生成し、秒を累積してタイミングを達成することです。時計が工場を出荷されるとき、作業員は時計の開始時間を国家標準時間に合わせます。しばらく使用していると、時計が国の標準時間から数秒、あるいは数分ずれていることに気づくかもしれません。これは時計の発振器周期が十分に正確ではないためであり、時間を合わせるために再調整することができます。そのため、通常の腕時計の時間は手動で調整・合わせます。うるう秒が発生したときに手動で時刻合わせ操作を行わないと、時計の針はまったく変化しません。発振器の周期精度が十分ではないため、うるう秒が発生したときに調整を行わなくても、1秒のうるう秒が誤差に埋もれてしまい、検出が困難になる場合があります。電波時計という、電波信号をリアルタイムまたは定期的に受信できるタイプの時計もあります。電波を通じて自動的に国内標準時に合わせ、うるう秒が発生する場合にはうるう秒が発生します。

03 ますます正確になる時計を必要とする人は誰でしょうか?

人々の活動が拡大するにつれて、ナビゲーションの需要が高まり、精度もますます高くなります。自動運転車は、数メートル以内の距離を正確に位置特定できる必要があります。初期の方向判断から現在の全地球衛星ナビゲーションまで、それらはすべてより正確な時間に大きく依存しています。通信の面では、時間同期は通信システムの正常な動作の基礎となります。時刻同期ネットワークの同期パフォーマンスは、高帯域幅と低遅延の通信を保証する重要な要素であり、高精度の原子時計と時刻同期技術のサポートも必要です。

さらに、超高精度の原子時計は、科学者が暗黒物質を検出し、重力波を測定し、地球の重力場の正確な形状を前例のない精度で決定するのに役立つ可能性があります。

原子時計技術の発展に伴い、秒の長さを定義するセシウム原子時計の周波数精度と安定性の性能は、マイクロ波時計や光時計などに比べて1～2桁遅れており、より安定した秒の取得が制限されています。秒の長さの定義の更新を求める声がますます高まっており、光時計がセシウム原子時計に代わる秒の長さの定義における「新しい波」になる可能性が高い。秒の定義は、特定の要素の光時計を使用するのか、複数の種類を組み合わせて使用​​するのかについては、まだ結論が出ていません。このため、我が国では、イッテルビウム原子光格子時計、カルシウムイオン光時計、ストロンチウム原子光格子時計、アルミニウムイオン光時計、イッテルビウムイオン光時計、水銀原子光格子時計、水銀イオン光時計など、複数の種類の光時計の研究に早期から取り組んできました。

10月31日、宇宙ステーションの孟天実験モジュールを搭載した長征5号B堯4号ロケットが中国の文昌宇宙発射センターで点火され、打ち上げられました。孟天船室には、冷原子ストロンチウム光時計で構成された世界初の宇宙冷原子時計が搭載されています。

画像出典：新華社通信（写真提供：郭忠正）

現在、我が国の光時計研究は多くの分野で世界をリードするレベルに達しています。中国は光時計を宇宙に打ち上げた世界初の国でもある。世界初のストロンチウム原子光時計が中国の宇宙ステーションで稼働している。現在建設中の世界最長かつ最も高精度の光ファイバー時刻・周波数伝送ネットワークは、光周波数遷移に基づく秒の再定義にも中国が貢献することになる。

専門家：中国科学院国家時間サービスセンター研究員、劉亜氏

制作：中国科学普及協会

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