中國計量網(wǎng) http://etvsebi.cn/
中國計量網(wǎng)——計量行業(yè)門戶網(wǎng)站
計量資訊速遞
您當(dāng)前的位置: 首頁 > 文化 > 計量科普

時間及其單位秒

發(fā)布時間:2020-09-27 作者:施昌彥 來源: 瀏覽:22449

時間及其單位秒

施昌彥


    時間是什么?歷史上曾經(jīng)爭論不休。哲學(xué)家康德認(rèn)為時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)識材料的工具。物理學(xué)家牛頓認(rèn)為時間是均勻流逝著的,它與空間和空間盛著什么物質(zhì)毫無關(guān)系,即在一個系統(tǒng)中同時發(fā)生的兩個事件,不論在什么系統(tǒng)中觀察都是同時的。
    這種同時性的絕對觀念或“絕對時間”,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,在度量時間進(jìn)程時,會看到運動的時鐘要比靜止的時鐘行進(jìn)得慢。根據(jù)廣義相對論原理,在較強的引力場中時鐘也行進(jìn)得較慢,即引力場中光譜線向紅端移動?,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,都證明了辨證唯物主義關(guān)于時間、空間與運動著的物質(zhì)具有不可分割聯(lián)系的原理,無疑是正確的。
    從計量學(xué)的角度來看,時間這個概念至少具有時間間隔和時刻兩種含義。前者是連續(xù)流逝的時間中兩個瞬時之間的間隔,即有起點和終點的一段時間,可用時間坐標(biāo)軸上的線段表示;后者則是這個線段上某一個點所表示的瞬間。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)生的時刻,首先要選取一個時刻作為起算的原點,然后以一個標(biāo)準(zhǔn)的時間間隔作單位,在時間坐標(biāo)上計算事件發(fā)生的瞬間到原點之間的時間間隔。這個時間坐標(biāo)就稱為“時標(biāo)”(time scale)。根據(jù)起算原點和時間單位的不同,可以建立不同的時標(biāo),例如世界時、歷史時、國際原子時、協(xié)調(diào)世界時等。
    而能連續(xù)不斷地維持時標(biāo)值或保持時標(biāo),給出時刻和時間間隔的工作就稱為“守時”(time conservation)。守時的基本手段是鐘——指示時刻和計算時間間隔的計量器具,各種時標(biāo)都是通過守時鐘的讀數(shù)體現(xiàn)出來的。守時還需要科學(xué)的時標(biāo)計算方法和準(zhǔn)確的時間比對手段。
    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行的周期。以后又創(chuàng)造了沙漏、水漏、滴漏等守時工具。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,表示時間這個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)天體運行周期,即宏觀運動規(guī)律得到的。原子秒是根據(jù)原子振蕩周期,即微觀運動規(guī)律或微觀量子效應(yīng)得到的。
    在天文秒中,世界時(UT)的秒是以地球自轉(zhuǎn)運動周期為基礎(chǔ)確定的,而歷書時(ET)則以地球繞太陽的公轉(zhuǎn)運動周期為基礎(chǔ)。地球自轉(zhuǎn)一周的時間稱為“真太陽日”,但地球同時還繞太陽公轉(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屆國際計量大會(CGPM)決定以歷書時(ET)的秒取而代之。實際上,地球自轉(zhuǎn)速度有長期減慢趨勢并時有不規(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)運動卻比自轉(zhuǎn)運動穩(wěn)定得多,所以歷書時要比世界時均勻。
    但是,天文觀測畢竟繁瑣費時,人們對宏觀天體運動的規(guī)律也難以全面掌握,而對時間準(zhǔn)確計量的需求卻愈來愈高。于是,利用微觀量子效應(yīng)來確定時間的呼聲高漲、進(jìn)展迅速,致使歷書時只用了7年,在1967年第13屆國際計量大會上,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 個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間”。
    在秒的新定義中之所以采用這么多個周期,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)時間不停流逝的特點,從周期性運動現(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小時為依據(jù)。計量學(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)和觀測的周期運動而己。
    世界時以公元的起點作為時標(biāo)原點,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(TA)則廣泛應(yīng)用于計量、衛(wèi)星和無線電通訊等領(lǐng)域,盡管均勻穩(wěn)定,卻沒有天然的時標(biāo)原點。于是,1971年第14屆國際計量大會決定采用國際原子時(TAI),其起點是1958年1月1日0點,即在此刻它與世界時對準(zhǔn)看齊。
    但是原子秒比平太陽秒略短,兩者對齊后隨著時間的推移,原子時鐘的讀數(shù)會比世界時鐘讀數(shù)逐漸偏大。比方,從起點1958年到1995年末的38年間,原子時鐘比世界時鐘慢了近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)定世界時與原子時應(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,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。
    比方在格林尼治時間的0時區(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,這種時間系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時(UTC)。自1972年實行協(xié)調(diào)世界時以來,已加設(shè)20個閏秒,均發(fā)生在年末或半年末。
    所以,時間與空間一樣,人們是可以準(zhǔn)確度量或計量的。我國的時間計量基準(zhǔn)由中國計量科學(xué)研究院

分享到:
通知 我要訂購 我要訂購
公告 征訂通知 征訂通知
會員注冊
已有賬號,
會員登陸
完善信息
找回密碼