時(shí)間及其單位秒

施昌彥

    時(shí)間是什么？歷史上曾經(jīng)爭論不休。哲學(xué)家康德認(rèn)為時(shí)間和空間不是客觀存在的，而是人的先天的直觀形式。馬赫則把它看作是“感覺系列調(diào)整了的體系”，是用來整理認(rèn)識(shí)材料的工具。物理學(xué)家牛頓認(rèn)為時(shí)間是均勻流逝著的，它與空間和空間盛著什么物質(zhì)毫無關(guān)系，即在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，不論在什么系統(tǒng)中觀察都是同時(shí)的。
    這種同時(shí)性的絕對觀念或“絕對時(shí)間”，與愛因斯坦相對論的觀念是截然相反的。根據(jù)狹義相對論原理，在度量時(shí)間進(jìn)程時(shí)，會(huì)看到運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘要比靜止的時(shí)鐘行進(jìn)得慢。根據(jù)廣義相對論原理，在較強(qiáng)的引力場中時(shí)鐘也行進(jìn)得較慢，即引力場中光譜線向紅端移動(dòng)?，F(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，特別是相對論的提出及其后來得到證實(shí)，都證明了辨證唯物主義關(guān)于時(shí)間、空間與運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)具有不可分割聯(lián)系的原理，無疑是正確的。
    從計(jì)量學(xué)的角度來看，時(shí)間這個(gè)概念至少具有時(shí)間間隔和時(shí)刻兩種含義。前者是連續(xù)流逝的時(shí)間中兩個(gè)瞬時(shí)之間的間隔，即有起點(diǎn)和終點(diǎn)的一段時(shí)間，可用時(shí)間坐標(biāo)軸上的線段表示；后者則是這個(gè)線段上某一個(gè)點(diǎn)所表示的瞬間。前者表示事件持續(xù)的久暫，后者表示事件發(fā)生的遲早。
    欲表示事件發(fā)生的時(shí)刻，首先要選取一個(gè)時(shí)刻作為起算的原點(diǎn)，然后以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間間隔作單位，在時(shí)間坐標(biāo)上計(jì)算事件發(fā)生的瞬間到原點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間坐標(biāo)就稱為“時(shí)標(biāo)”(time scale)。根據(jù)起算原點(diǎn)和時(shí)間單位的不同，可以建立不同的時(shí)標(biāo)，例如世界時(shí)、歷史時(shí)、國際原子時(shí)、協(xié)調(diào)世界時(shí)等。
    而能連續(xù)不斷地維持時(shí)標(biāo)值或保持時(shí)標(biāo)，給出時(shí)刻和時(shí)間間隔的工作就稱為“守時(shí)”(time conservation)。守時(shí)的基本手段是鐘——指示時(shí)刻和計(jì)算時(shí)間間隔的計(jì)量器具，各種時(shí)標(biāo)都是通過守時(shí)鐘的讀數(shù)體現(xiàn)出來的。守時(shí)還需要科學(xué)的時(shí)標(biāo)計(jì)算方法和準(zhǔn)確的時(shí)間比對手段。
    我國遠(yuǎn)在公元前五百多年前，就利用“日晷”來觀測地球繞太陽運(yùn)行的周期。以后又創(chuàng)造了沙漏、水漏、滴漏等守時(shí)工具。在中國歷史博物館至今還珍藏著元朝后期(1361年)創(chuàng)制的“銅壺滴漏”。
    在國際單位制(SI)中，表示時(shí)間這個(gè)基本物理量的單位是秒(s)，它經(jīng)歷了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是根據(jù)天體運(yùn)行周期，即宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律得到的。原子秒是根據(jù)原子振蕩周期，即微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律或微觀量子效應(yīng)得到的。
    在天文秒中，世界時(shí)(UT)的秒是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期為基礎(chǔ)確定的，而歷書時(shí)(ET)則以地球繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期為基礎(chǔ)。地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間稱為“真太陽日”，但地球同時(shí)還繞太陽公轉(zhuǎn)，且公轉(zhuǎn)軌道又不是圓形而是橢圓的，所以這個(gè)真太陽日很不均勻，最長的一天與最短的一天相差約51秒。
    于是，人們把一年中真太陽日的平均值定為平太陽日，進(jìn)而把它的1/86400定為“平太陽秒”。這就是最初的秒的定義，一直沿用到1960年第11屆國際計(jì)量大會(huì)(CGPM)決定以歷書時(shí)(ET)的秒取而代之。實(shí)際上，地球自轉(zhuǎn)速度有長期減慢趨勢并時(shí)有不規(guī)則變化，平太陽秒的測量不確定度只有10-8。而地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)卻比自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定得多，所以歷書時(shí)要比世界時(shí)均勻。
    但是，天文觀測畢竟繁瑣費(fèi)時(shí)，人們對宏觀天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律也難以全面掌握，而對時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)量的需求卻愈來愈高。于是，利用微觀量子效應(yīng)來確定時(shí)間的呼聲高漲、進(jìn)展迅速，致使歷書時(shí)只用了7年，在1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)上，正式?jīng)Q定以原子秒取代天文秒:“秒是銫-133原子基態(tài)的兩 個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”。
    在秒的新定義中之所以采用這么多個(gè)周期，即把銫-133原子的振蕩周期積累這么多次，其目的是使原子秒與原來的天文秒盡量一致起來。眾所周知，原子的能級是非常穩(wěn)定的，躍遷時(shí)輻射信號的周期自然也非常穩(wěn)定，因此它比天文秒的穩(wěn)定性要高10萬至100萬倍以上。而且測量方便，準(zhǔn)確度高(10-13～10-14)，容易復(fù)現(xiàn)，因此原子秒的這個(gè)定義一直沿用至今。
    由上可見，不管是天文秒還是原子秒，說到底都是根據(jù)時(shí)間不停流逝的特點(diǎn)，從周期性運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中截取周期的若干分之一(天文秒)或周期若干倍(原子秒)的方式來獲取的，并且大致上以地球自轉(zhuǎn)一周24小時(shí)為依據(jù)。計(jì)量學(xué)家們所追求的，只不過是選擇一種盡量穩(wěn)定準(zhǔn)確的、易于復(fù)現(xiàn)和觀測的周期運(yùn)動(dòng)而己。
    世界時(shí)以公元的起點(diǎn)作為時(shí)標(biāo)原點(diǎn)，盡管不夠均勻穩(wěn)定，但它準(zhǔn)確反映了地球自轉(zhuǎn)的角位移，因而在大地測量、天文觀察和人類生活方面仍有重要應(yīng)用。以原子秒積累起來的原子時(shí)(TA)則廣泛應(yīng)用于計(jì)量、衛(wèi)星和無線電通訊等領(lǐng)域，盡管均勻穩(wěn)定，卻沒有天然的時(shí)標(biāo)原點(diǎn)。于是，1971年第14屆國際計(jì)量大會(huì)決定采用國際原子時(shí)(TAI)，其起點(diǎn)是1958年1月1日0點(diǎn)，即在此刻它與世界時(shí)對準(zhǔn)看齊。
    但是原子秒比平太陽秒略短，兩者對齊后隨著時(shí)間的推移，原子時(shí)鐘的讀數(shù)會(huì)比世界時(shí)鐘讀數(shù)逐漸偏大。比方，從起點(diǎn)1958年到1995年末的38年間，原子時(shí)鐘比世界時(shí)鐘慢了近30秒。
    為此，從兼顧不同方面的需要出發(fā)，國際上在1972年規(guī)定世界時(shí)與原子時(shí)應(yīng)保持一致，調(diào)整量為1秒。1975年又改為0.9秒:當(dāng)差值快接近0.9秒時(shí)，加或減一秒。這就是“閏秒”，它與公歷設(shè)閏年，農(nóng)歷設(shè)閏月的道理是相似的。
    比方在格林尼治時(shí)間的0時(shí)區(qū)和西半球，1995年12月31日這一天不是平日的86400秒，而是86401秒，新年鐘聲推后了一秒鐘。再上一次發(fā)生在1994年6月30日末。這增加的一秒鐘即是閏秒，這種時(shí)間系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)。自1972年實(shí)行協(xié)調(diào)世界時(shí)以來，已加設(shè)20個(gè)閏秒，均發(fā)生在年末或半年末。
    所以，時(shí)間與空間一樣，人們是可以準(zhǔn)確度量或計(jì)量的。我國的時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)由中國計(jì)量科學(xué)研究院