正文 第70章 一秒是怎麼定出來的(2 / 3)

選取1958年1月1日UT2的0時為原子時的時刻起點,即要求滿足:

(AT-UT2)1958·0=0

因為技術上的原因,在實現這個規定時隻得到了:

(AT-UT2)1958·0=0.0039秒

此值做為一個曆史常數被保存下來,應用時扣除這微小的修正量就行了。

原子時的秒長是靠我們前麵所討論過的原子鍾來複現的,與地球、太陽相比,原子鍾的體積小得多了,可以很好地將它保存在實驗室裏。我們已經知道原子鍾的原理,它很少受外界條件的影響,是更為客觀更為恒定的時間基準。保存在原子鍾裏的原子時的秒長容易測定和應用,不需要進行長時間的天文觀測。而它酌穩定度和準確度卻十分高,一般可達±1×10-12或更高,正像前麵我們已經講過的那樣,相當於30萬年差1秒。

協調世界時、閏秒

世界時、曆書時、原子時3種計時係統都是通過尋找一個均勻運動周期來定義秒長,由於地球的自轉和公轉的周期都很長,所以世界時和曆書時的秒長是通過對長周期的等分而得到的。而原子躍遷頻率的周期很短,所以原子時的秒長是通過對短周期的倍乘而得到的。

另外,我們已經知道UT是以地球自轉周期來定義的,而地球自轉的速度是不均勻的,所以,嚴格地說,UT不是“均勻時”。在3種世界時UTo、UT、UT2中,UT2雖然經過了3次修正,比較均勻,但也隻能稱為“準均勻時”,因為還有地球自轉的長期變化和隨機跳動無法修正。地球繞太陽公轉的周期是均勻的,原子躍遷頻率的周期也是均勻的,所以曆書時和原子時都可以稱為均勻時。

也許有人會問,既然原子時的秒長最精確,那麼,世界時和曆書時就可以不要了。

其實不是這樣。世界時UT和曆書時ET還不能廢除,因為它們各有各的用處。這3種計時係統之間有區別又有聯係,它們之間可以相互換算,但不能互相取代。在某種意義上講,它們互相補充了對方的不足。

世界時UT與人們的生活聯係最密切,若把UT取消了,人們的生活將感到很不方便,在航海、航空上也都離不開UT;正因如此,原子時的時間起點也必須和世界時嚴格對準。

這3種計時係統如何應用,還要看使用場合。在要求不高時,用世界時UT就可以了。在要求比較高時,就用原子時。曆書時一般隻在天文、大地測量等場合使用。當然原子時是當代最精確的計時係統。

問題是使用了統一的原子時的秒長以後產生了新的矛盾,因為原子時的秒長與世界時的秒長並不完全相等。時間一長,原子時就偏離了世界時,如從1958年開始建立原子時算起,到1971年年底止的一段時間裏,世界時落後於原子時將近10秒,而且差異越來越大,這對使用部門來說意見很大。協商的結果,就產生了“協調世界時”,記為UTC。

協調世界時不是一種獨立的計時係統,而是一種服務方法。3種計時係統UT、ET、燈分別保留了各自的定義,在它們之間進行換算或在應用中產生矛盾時,人為地采用一種跳秒的方法來“協調”,以利於應用,這就是“協調世界時”的實質。

一般來說,我們使協調世界時的秒長,忠實地反映原子時的秒長,規定在UTC-UT〉09秒(1974年以前是07秒)時,做1秒的整數跳動,稱為閏秒。閏秒由國際時間局(BIH)通知,一般在每年的元旦進行。如仍不夠,則在7月1日再閏一次。

這種協調世界時從1972年1月1日開始實行。1971年12月31日做了-0107758秒的特殊跳秒,這樣到1972年1月1日時,AT與UTC整差10秒,也作為一個曆史常數保存下來。

協調世界時,可以這樣來理解:時刻用世界時的,方便使用;時間間隔(即秒長)采用原子時的,提高精度。這樣做協調時就要偏離世界時,再采用閏秒的方法來修正。

當然,閏秒這種辦法也不是沒有缺點的,有時,閏秒會攪亂計時係統的連續工作,所以要求取消閏秒的呼聲正在增長。

就是為了確定這短短的1秒鍾,人們不知道花費了多少辛勤的勞動,開了多少次國際性專業會議,並建立專門的國際機構來研究它。比如在1954年第十屆國際度量衡會議上,專門成立了“秒定義谘詢委員會”……經過人們長期的努力,使秒的定義逐步完善起來。雖然如此,直到現在為止,關於秒的定義問題仍有許多理論和技術上的問題有待進一步解決。

協調時間的國際組織

為了有效地協調時間工作,國際上先後成立了一些專門組織和機構,它們按照各自的需要、能力、官方要求和傳統習慣,分別關心時間領域中不同方麵的問題,從而形成了一個複雜的係統。在這裏,我們不可能詳盡說明它們的活動情況,隻能就它們的主要任務作一簡要介紹。

協調時間(包括頻率)服務工作的國際組織,通常分為政府間組織和非政府間組織兩大類。前者一般都得到各國政府的某種形式的官方支持,而對於後者,這種支持則是很間接的。

政府間的組織有:

(1)國際計量大會(CGPM)

這是有政府代表參加的國際會議。國際米製公約就是由它簽署和修訂的。

(2)國際計量委員會(CIPM)

它是國際計量大會閉會期間的行政機構。

(3)國際計量局(BIPM)

國際計量大會和國際計量委員會的執行機構及實驗室。

(4)秒定義谘詢委員會(CCDS)

創建於1956年,由國際計量委員會提名的科學家組成。

(5)國際電信聯盟(ITU)

由各成員國主管部門的官員和電信專家組成。

(6)國際無線電谘詢委員會(CCIR)

國際電信聯盟中負責處理無線電通信業務的谘詢機構。它的第七研究組負責處理標準時間和頻率發播業務。目前無線電授時中的許多規程都是由它製訂的。

非政府間的組織主要有:

(1)國際科學聯盟(ICSU)

它相當於國際上各學術團體之間的總協調局。

(2)國際天文學會(IAU)

在1919年成立初期主要處理時間方麵的協調問題。目前則通過它的第31委員會在時間方麵發揮作用。

(3)國際無線電科學協會(URSI)

負責處理無線電科學中的各種問題。它的A組(電磁學計量組)中包含時間計量。

(4)國際時間局(BIH)

它是國際原子時(TA)、協調世界時(UTC)和世界時(UT1)等時間標準的負責機構,也是目前國際上在時間工作中僅有的一個常設機構。

尋找不變的秒長

前麵說過,平太陽時是不均勻的,它的秒長可伸可縮,是一種“橡皮秒”。誠然,這種伸縮程度很小,甚至在我們的日常生活中難以覺察出來,但是,它對於某些精密科學測量來說,是絕對不能允許的。於是,人們不得不繼續探索,以便尋找一種不變的秒長標準。

在本世紀初期,原子物理學和量子力學都處於發展的初始階段,人們對於微觀世界的認識水平還很膚淺;天文學家仍然在宏觀世界尋找更好的時間計量標準。

天文學家由長期的天文觀測發現,雖然地球公轉速度在一年中的不同季節是變化的,但它公轉一周的時間卻相當穩定,他們推想,如果把地球公轉周期的若幹分之一定為一秒,這樣的秒長或許會相當均勻。

但是,要得到這樣的時間,必須精確地掌握地球公轉運動規律。就是說,必須精確地測量太陽的周年視運動情況。

早在19世紀末,紐康就根據地球繞太陽的公轉運動編製了一份太陽曆表。在這份曆表中,紐康按天體力學定律,采用所謂“牛頓時間”(即理想均勻的時間),計算並列出了太陽的位置。在這種理想的時間係統中,每給定一個時刻,就能由表查出太陽的一個相應位置。

既然如此,那麼能不能把問題反過來,由觀測到的太陽位置反推出這一位置所對應的均勻時間呢?

至少在理論上說,這樣做是可能的。國際天文學會經過論證之後,於1956年決定以紐康太陽曆表為基礎定義了一種理想的時間尺度,這就是學術界所說的“曆書時”。它的秒長等於1960年1月1日0時正回歸年長度的1/315569259747。國際上還規定,從1960年開始,由曆書時取代平太陽時作為基本的時間計量標準。

這樣,我們就在理論上有了一個均勻不變的秒長單位。但實際上要得到這樣的秒長是相當困難的,因為觀測太陽比較困難,人們隻能通過觀測月亮等其他天體來測定曆書時。

月亮是一個視圓麵比較大的天體,邊緣又不十分整齊,用現代子午環、中星儀和月亮照相儀等天文儀器,經過幾年觀測,所得曆書時的精度,隻能達到10-9量級;比平太,陽時精度隻高不到十倍,仍然不能滿足現代科學技術對於時間精度的要求。

把原子套在時鍾上

至此,我們大體按照事物發展的本來順序,介紹了人類從宏觀世界物質運動規律開始,認識和測量時間的發展曆史。我們看到,人類在長期“日出而作,日人而息”的過程中,逐步產生了“日”的概念;又從月亮缺而複圓中認識了較長的時間單位--月;當人類知道太陽是一顆恒星以後,地球運動周期便成了計量時間的科學標準。在這漫長的歲月裏,人類曾發明了日規、滴漏和各式各樣巧奪天工的的鍾來測定較短的時間間隔。隨著物理學的發展,人們學會把單擺吊在時鍾上,做出了擺鍾,提高了計時精度;此後,又用石英晶體振蕩牽引時鍾鍾麵,做出了石英鍾,使計時精度又有很大提高。這些時鍾所測定的時間都以天體宏觀運動周期為標準,而天體運動周期又是由天文觀測測定的。因此,長期以來,人們習慣於把時間工作同天文學聯係在一起,原因就在這裏。

在現代科學技術條件下,人類對於宏觀世界的認識已經遠遠超過人們的視界範圍,擴展到更加遙遠的恒星、星係、星係團、類星體……達到100億光年以上的天區。誠然,這是一個了不起的進步,但是,我們不能不看到,人類目前對於各種天體運動規律的認識,還遠遠沒有達到盡善盡美的程度,即使對於人類自己生活起居的地球,也還沒有完全搞清它的運動規律。

在這樣的情況下,通過天文觀測測定時間就遇到兩個方麵的困難;