閏秒的誕生 │ 科學史上的今天：06/30

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

• 作者／陳子翔｜師大地科系，師大科教所， EASY 天文地科團隊創辦者

「一分鐘是 60 秒」是大家再熟悉不過的時間單位換算。

然而過去其實曾出現過許多次「一分鐘有61秒」的情形，原因是我們在曆法中加入了「閏秒」。自 1972 年至今，協調世界時（UTC）總共加入過 27 個閏秒，大約平均兩年就會插入一個閏秒。不過有趣的是，UTC 上一次加入閏秒已經是六年前的事了，最近甚至還有是否要「減去閏秒」的討論，這是怎麼一回事？閏秒為什麼會出現，它的功能又是什麼呢？

在討論閏秒前，先看「一秒鐘」是如何被定義的

「一日有 24 小時，一小時有 60 分鐘，一分鐘有 60 秒」，在這些時間單位中，「日」的概念是最天然而直覺的。在一天當中會有日出與日落、白晝與黑夜，地球上大多數的動物即便不會使用曆法與計時工具，也都依著一天一天的循環生活著。而要如何定義一天到底有多長呢？過去的人們以中午竿影達到最短的時間為基準，測量兩次竿影達最短的時間間隔來得出一日的長度，這樣定義出的一日就叫做一個「太陽日」。而有了一日的長度，就可以在以這個基準去切分成「小時」、「分鐘」和「秒」，或是「時辰」和「刻」等時間單位了。

然而隨著觀測與計時工具的技術提升，人們發現太陽每次達到最高點的時間間隔並不是完全一致的，而是會隨著季節有數十秒的差距，代表每一個太陽日的長度並不是固定的。但如果「一日」的長度是不固定的，那麼以「日」為基準定義的時、分、秒等時間單位，長度也當然會跟著每天的長度不同而變化，這樣「今天的一秒，不是明天的一秒」的奇怪狀況想必會產生許多問題。

因此「平均太陽日」就被定義出來以解決這樣的問題。顧名思義，「平均太陽日」就是把一年當中所有太陽日長度取平均，定義出的時間長度就是一個平均太陽日，如此一來一日的長度就能固定下來，也就不用擔心時間單位的長度會不斷變化的問題啦！

但，真的是這樣嗎？

平均太陽日的出現沒有讓時間的基本定義就此定下來，因為不論是太陽日或是平均太陽日，它們的長度都是決定於地球自轉的轉速，然而地球的轉速卻不是完全穩定的。因此又有一段時間，秒的定義改成以地球公轉的週期為基準訂定，但任何以天體運行為基礎定義出來的時間單位，都會有相似的問題：天體運行的週期不會是完全穩定不變的。

後來隨著原子鐘的發展，也為了盡可能讓時間的基本單位是一個不會變動的定值，1967 年世界度量衡大會決議將一秒鐘重新定義為「銫 133 原子於基態之兩個超精細能階間躍遷時所對應輻射的 9192631770 個週期的持續時間」，而以這個定義進行計時的時間則稱作「原子時間」。

為什麼會要加入閏秒，而閏秒又會帶來什麼困擾

改成以原子鐘為基準後，時間基本單位的定義變得更加精確而穩定。不過這麼一來，一秒的長度就與地球自轉沒有關係了。但「日」的概念終究還是地球自轉形成的，「一日有 86400 秒」這樣的單位換算也依然成立，如果長久下來都只以原子時間計時，我們使用的時間就會慢慢偏離實際的平均太陽日，也就是偏離地球的自轉週期。如果誤差無限制的累積下去，或許就會出現明明時鐘指著中午十二點，外頭卻是夜黑風高的景象。為了追求更加精確的時間單位，卻讓人類的計時計日與自然脫節，似乎就本末倒置了。

為了讓 UTC 中的一秒符合定義，又不要讓其與實際地球自轉週期漸行漸遠，1972 年世界時間局決定讓 UTC 使用標準定義的秒來計時，並以「閏秒」來修正偏離太陽日的問題。每當 UTC 與平均太陽日的時間差距達到約 0.6 秒時，就會以閏秒修正，好讓 UTC 與平均太陽日不會出現超過 0.9 秒的差距。

閏秒通常會插入在 UTC 12 月 31 日或是 6 月 30 日的最後一秒後面，而且每次插入閏秒都要提前半年公告。當閏秒插入時，UTC 就會出現「23 時 59 分 60 秒」，然而很多電腦系統並「不認得」這樣奇怪的時間格式，因此插入閏秒可說是讓許多電信、導航等系統工程師相當頭痛的噩夢。

為什麼過去閏秒都是加秒而沒有減秒？

從 1972 年 UTC 總共插入了 27 個閏秒，但從來沒有扣除過任何一秒。主要的原因是由於原子時間中的一秒被定義時，本就略短於當時平均太陽日定義的一秒，也代表原子時間是走得比較快一些的，因此 UTC 會需要透過加秒來對齊平均太陽日。

另外，由於地球長期受月球的潮汐力作用，使自轉轉速逐漸減慢，一個太陽日的長度就會越來越長，像是化石證據就顯示四億年前地球上的一天大約是現在的 22 小時。因此如果地球自轉轉速的趨勢持續，未來 UTC 加入閏秒的頻率應該會越來越高，也更不會有需要扣除閏秒的需求。

近年地球自轉速度比預期還快，讓「負閏秒」成為可能選項

然而事情沒有這麼簡單，根據近年的觀測發現，地球自轉轉速有略為上升的跡象，而目前地球的轉速比過去 50 年都來的快！地球自轉速度為何會有這樣的變化，目前也還沒有確定的答案。不過像是大地震和冰川融化等事件，都是可能提高地球自轉轉速的因子。因為這些現象能夠改變地球內部或表面的質量分布。當質量向地球中心移動，由於角動量守恆定律，地球轉速就會提升，就如同花式滑冰的選手在旋轉時收起手臂，就可以加速旋轉是一樣的原理。

地球自轉的些微加速，讓 UTC 已經超過五年沒有加入閏秒，而目前科學家也還不能確定地球自轉些微加速的趨勢會持續多久，會加速到多快。

如果地球的轉速持續變快，代表一日的長度會持續縮短，未來就可能會遇到原子時間超前太陽日的現象，而若是原子時間比太陽日還快上 0.9 秒時，如果相關單位沒有以其他方式解決，史上首次的負閏秒就有可能出現，不過想必這應該不是系統的工程師會樂於見到的事情。

大家不妨猜猜看，下一次 UTC 進行閏秒修正時，會是增加一秒還是扣除一秒呢？如果負閏秒真的出現了，可別忘了見證史上第一個只有 59 秒的一分鐘呀！

1. Earth Is Spinning Faster Now Than It Was 50 Years Ago | Discover Magazine
2. 時間的單位：秒（s）
   https://www.nml.org.tw/measurement/new-knowledge/3668-時間的單位：秒-s.html

延伸閱讀

• 到底是GMT+8 還是UTC+8 ? – PanSci 泛科學
• 你的正午不是你的正午日晷與均時差- 科學月刊Science Monthly
• 一天24 小時不夠用？再等等，地球自轉越來越慢……

1972 年的今天，就在要結束跨入第二天的那一剎那（格林威治標準時間的 6 月 30 日午夜），發生了一件神奇的事：世界各國標準實驗室的時鐘竟然同時出現不可能的時間！

以台灣為例，當時的時間是 7 月 1 日的 07:59:59，但下一秒時鐘顯示的竟然是 07:59:60！然後再下一秒才是 08:00:00。這是某種時空扭曲嗎？還是甚麼跨國組織的巨大陰謀？

這起事件的背後推手的確是個國際組織──國際時間局。但目的純粹是為了校正秒的標準定義改變後所造成的誤差。

一秒最初的定義是平均太陽日的 1/86400，純粹就是按一天 24小時 x 60分鐘 x 60秒劃分而來。但是地球自轉的速度並不穩定，事實上，長期而言，地球自轉會越來越慢，因此自 1960 年起改以 1900 年的地球公轉週期為計算基準，將一秒的定義改為那一年的 1/31,556,925.9747。

另一方面，波蘭裔的美國物理學家拉比（Isidor Rabi）在三○年代時就提議利用原子束穿過電磁場時，電子在兩個能階間躍遷所輻射之電磁波與電磁場達到共振時的頻率做為計時器。直到 1955 年，一些技術成熟後，英美兩國才做出銫原子鐘，共振頻率達 9,192,631,770 Hz，代表誤差幾乎只有十億分之一秒。

1967 年，國際度量衡大會通過改以銫原子鐘所用的原理定義秒，從此擺脫了與日、年的關係。然而我們日常生活還是沿用傳統的的計時方式，因此與原子鐘會有些微誤差，於是國際時間局（現已由國際度量衡局取代）遂決議每當誤差累積超過 0.9 秒，就得在每年的 6 月 30 日或 12 月 31 日的最後一秒鐘增減一秒，以便與原子鐘同步。多出來的一秒就是閏秒。1972年的 6 月 30 日就是第一次調整，至今一共已經多增加了 27 秒。最近一次的閏秒是台灣時間 2017 年 1 月 1 日 7:59:60，至於下一次……可就得問問地球囉。

不過在目前這樣的網路時代，閏秒的調整卻會造成許多不便，甚至引發災難；2012 年的那次調整就造成許多知名網站的當機。因此，早有許多聲浪主張取消閏秒，不過 2015 年國際電信聯盟的無線通信大會已表決決定，閏秒機制至少會維持到 2023 年，至於 2023 年之後會怎麼發展，就讓我們拭目以待吧！

編按：本文原完成於 2015 年，於 2018 年 6 月根據後續實際情況對內文作調整，因此與收錄版有差異。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯｜黃曉君、美術編輯｜林洵安

地球自轉學問大

中學生就知道地球會自轉，自轉形成晝夜，自轉軸傾斜造成季節。但你知道嗎？地球自轉其實是忽快忽慢的，沒有一天是 24 小時，長期來說還有越轉越慢的趨勢。地球自轉軸也不是雷打不動，它會繞圈圈、各種搖擺，導致歲差和北極點不斷漂移等古怪現象。中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰，帶你穿越上下億萬年的古今地球，聊聊中學地科老師沒告訴你的事。

太陽系分家產

說起地球自轉，首先得弄清楚：地球為什麼會轉，第二個問題是：為啥轉了 46 億年還不會停？

「地球會轉，是因為它在太陽系形成之初，分到一部分的『家產』：角動量。」趙丰幽默的比喻：「地球為什麼到現在還轉不停？因為分到的家產 (角動量) 還沒有用完啊。」

角動量是什麼？簡單說，它是物體轉動時的一種物理量。物體的質量越大、轉動半徑越大、轉速越快，角動量就越大。更重要的是，在沒有外力的情況下，角動量永遠守恆，不會變多、也不會變少，只能互相交換。

怎麼交換？靠摩擦！比方說，兩個旋轉的陀螺擦撞、分開，結果一個變慢，另一個就變快，就是前者的角動量藉由摩擦轉移到後者。而地球分到的角動量，則是跟太陽系其他天體「摩擦」來的。

時間回到 46 億年前，一場劇烈的超新星爆炸，太陽系誕生了。新生的太陽系宛如爐子上的一鍋熱粥，大小天體亂轉亂竄，就像一顆顆高速旋轉的大小陀螺，不斷發生碰撞，交換彼此的角動量。

最後，太陽、地球、其他行星、小行星等所有天體，各自分到一部份的角動量 (家產)，恆星和行星開始穩定的公轉和自轉，太陽系才逐漸成形。

然後勒？「從此，地球就過著穩定旋轉的日子……」並沒有！首先，地球自轉忽快忽慢，沒有一天是 24 小時。

地球自轉忽快忽慢

在原子鐘發明以先，地球自己就是時鐘。人們把地球自轉一周後，回到面對太陽同一角度所經歷的時間，訂為「一天」，後來又把一天等分為 24 份，每一等分稱為 1 小時。

近代改用原子鐘定義時間，重新測量地球自轉。結果發現：

二、三十年下來，地球自轉沒有一天是 24 小時。每天都跟 24 小時或多、或少差了千分之一、二秒。

為什麼？地球沒有受到外力，角動量不是應該守恆嗎？

「因為地球不是一塊死板板、硬梆梆的剛體，」趙丰說：「大氣環流、海洋洋流、地函對流，地球時時刻刻都在變化。」

地球自轉有角動量，大氣環流、海洋洋流、地函對流也有角動量。所謂角動量守恆，是指地球上所有物體角動量的總和不變，但可以互相交換。

比方說，地球自轉是由西向東轉，當大氣向東流速變快，會對地面的推擠摩擦，從地球本身「借走」一點角動量，導致地球自轉變慢；相反的，如果大氣向東的流速變慢，也會藉著摩擦，「還給」地球一些角動量，使地球自轉變快。

「今天大氣拿走一點，明天海洋還來一點，加加減減的，地球自轉就忽快忽慢了，」趙丰繼續比喻：「就像銀行的存款，今天吃個大餐，明天領個薪水，每天生活的收入支出，都會讓戶頭金額微微變動。」

但麻煩來了！如果地球好一陣子都轉得比較慢，一天慢個一千分之一秒，兩三年下來，就可能慢上 1 秒了。我們該不該把原子鐘也塞進 1 秒，以免跟地球自轉越差越遠，這就是過去發生了二十幾次的閏秒事件。

最近一次閏秒發生在 2017 年的 1 月 1 號，那年元旦假期幸運的多了……1 秒鐘。

地球越轉越慢、月球越來越遠

好幾年才加減 1 秒，根本無感？沒關係！如果把時間拉長，從幾百萬、幾千萬、幾億年的尺度來看，地球真的越轉愈慢，每 100 年穩定慢上千分之一秒。

可別小看千分之一秒？想想，如果是累積了 100 萬年、100 個 100 萬年 （1 億年）……差距就非常可觀，而地球已經 46 億歲了。

從化石證據知道， 4 億年前，地球一天只有 22 小時，再往前推，新生地球可能幾小時就轉一圈！反過來說，

當未來地球越轉越慢，一天真的有 25 小時可用。只不過還要再等上……2 億年。

誰讓地球剎車了？罪魁禍首是：月球！月球吸引地球的海水，引發潮汐現象，海水來來回回摩擦地表，就像貼在地球表面的「剎車皮」，讓地球慢慢「減速」。

至於地球消失的角動量，則被月球神不知鬼不覺的接收，用來增加月球公轉的速度……

「可是……不是說角動量一定要守恆嗎？但地球的角動量越來越少了……」

地球和月球互相吸引，又不受外力影響，可以看成一個系統。地球消失的角動量轉移到月球，整個系統的角動量還是守恆的！

月球的公轉角動量增加，又造成一個有趣的現象：

月球公轉速度變快，地球引力越來越拉不住它，於是月球越跑越遠、公轉軌道越來越大，每年平均遠離地球 3.8 公分。

由此反推，過去月球應該離地球非常近，當時月亮大又圓，而且每次漲潮都是恐怖大海嘯。

而未來，地球將越轉越慢，直到停止自轉，最後永遠只用同一面對著月球。屆時，地球只有一半地區可中秋賞月，但那時月亮只不過是天邊一顆不起眼的小白點。

地軸從來不安分

最後，地球自轉不只愈來愈慢，自轉軸還會各種搖擺，就像你甩出陀螺或是丟出飛盤，它們的旋轉軸也會繞圈圈或是些微晃動。

最有名的就是歲差現象：地軸週期性的繞圈圈，造成春分、秋分，冬至、夏至相對於星體的角度年年改變。幕後的主要黑手是：太陽和月球的引力，使地球自轉軸以 25800 年為週期，繞出一個圓錐。影響所及，人類的曆法必須考慮它、對它修正，才能跟著上地軸的「舞步」。地球就像陀螺一樣，自轉軸會週期性的繞圈圈，造成

但即使沒有外力，地球自轉軸也會自己擺動，造成許多古怪的現象，像是北極點不斷漂移，稱為極移。

早在 1900 年，人類就訂出地理北極點的位置，統一全世界的地圖和座標。但事實是，地球真正的北極點每天都像個陀螺似的，一邊打轉、一邊朝美國東部的方向漂移，目前已移動十多公尺。

原因與冰河期後的反彈現象有關。在冰河期，地表被厚重的冰層壓住，等到冰河期一過，冰原融化了，壓力解除了，大地就像彈簧床緩緩回彈，使地表某些地區「長胖」了。

地球的「形狀」改變了，質量重新分配，自轉軸也會跟著微調，真正的北極點（自轉軸穿出北方地面之處） 也就換位置了。這還是角動量守恆的結果！你可以把同一塊黏土捏成各種形狀，試著轉轉看，就會發現轉動軸真的會改變。

看到這裡，地球的大轉、小轉是不是把你的腦袋轉暈了呢？總的來說，地球自轉宛如氣勢恢弘的交響樂曲，主旋律是漸慢板，但其中還隱藏著更多奇妙的副旋律，崮中奧妙有賴科學家細細品聆了。

地球自轉的學問好有趣，但跟生活好像沒有關係？

關係可大了！如果沒有研究地球自轉，GPS 就無法精確定位，現代人的日子就沒法過了。

現代開車、找路都需要的 GPS （全球定位系統)）衛星導航。原理是：地面接受器同時接收某四顆衛星傳來的訊號，訊號中有每顆衛星的座標和訊號發射時間，接受器再由收到訊號的時間差，反推每顆衛星距離它多遠，最後綜合考慮四顆衛星的座標和距離，推算出地面接受器當下的位置，完成定位任務。

問題來了！地球本身會自轉，接受器自己就動來動去，怎麼精確評估與衛星的距離？所以接受器必須時時接收當下地球自轉的資訊，修正計算，以免導航誤差。

值得一提的是，GPS的成功使用與地球自轉研究非常密切。譬如當地球上的科學家為了追蹤和指揮太空飛行物，或是發射到其他行星的太空船，地面指揮站必須能精準計算距離和位置，而第一步就得先扣除地球自轉造成的誤差。另外，地球自轉的研究也能幫助評估全球暖化的人為影響。

全球暖化跟地球自轉有什麼關係？

當前有種迷思：地球本來就有週期性的氣候變遷，例如：冰河期和間冰期的來來去去，目前的暖化現象只是自然週期的一部份，人為的影響不是主因，一切都是某些科學家大驚小怪。

所以科學家必須了解冰河期的自然週期，作為全球暖化的背景資料，才能正確評估人類的影響程度。

而冰河期最重要的成因，來自其他行星引力，首先改變地球公轉軌道，讓它變得更橢或更圓，此週期約為 10 萬年。當軌道越橢，日照量越少，冬夏差異越大，冰河期越容易發生。

其次，行星引力造成地軸傾角週期性的擺盪，也會影響冬夏差異的強弱，這個週期約為 4 萬年。

最後，地球公轉軌道也會晃動，加上地球自轉軸本來就會轉圈圈，聯手改變地球最接近或遠離太陽的日子，週期約為 2 萬年。當北半球冬季遇上遠日點，就容易形成冰河期。

以上這些「萬年起跳」的週期，就是地球氣候變遷的自然週期。由此可知，人為破壞雖然局部的，但是 3~5 年就相當有感，效果又快又猛烈，真的是全球暖化的主要凶手。

地球自轉還有什麼有趣的研究方向嗎？

所有地球自轉會發生的現象，在其他行星上都會發生。前面說過地球對月球的潮汐力，讓月球只能用同一面面對地球，這個現象就廣泛的發生在各大行星與它們的衛星。國外行星研究正夯，這是很有發展的方向。

地球自轉還能探索地球內部。當前科技無法像電影般潛入地心，地球內部現象必須依靠地表能夠量測的數據反推，包括地震波、重力場、地球自轉變化、磁場的變化量。

最近兩三年，我從地球自轉的快慢變化，發現一個 6 年上下的小週期震盪，推測地球的內心會像鐘擺一樣來回搖擺。

我的推論是：地球的內核和外核不是完美的圓形，中間又隔著液體層，所以內核在液體內可能會晃動 ，造成鐘擺般的簡諧運動 。當地球內核晃動，外面地殼因為角動量守恆就會跟著改變轉速，造成地球自轉週期性的改變。

總之，只要發揮想像力，可以做的主題非常多，非常有趣的！

延伸閱讀

• 趙丰個人網頁
• Application of Stabilized AR-z Spectrum in Harmonic Analysis for Geophysics

本文轉載自中央研究院研之有物，原文為一天 24 小時不夠用？再等等，地球自轉越來越慢……，泛科學為宣傳推廣執行單位