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)家康德認為時(shí)間和空間不是客觀(guān)存在的，而是人的先天的直觀(guān)形式。馬赫則把它看作是“感覺(jué)系列調整了的體系”，是用來(lái)整理認識材料的工具。物理學(xué)家牛頓認為時(shí)間是均勻流逝著(zhù)的，它與空間和空間盛著(zhù)什么物質(zhì)毫無(wú)關(guān)系，即在一個(gè)系統中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，不論在什么系統中觀(guān)察都是同時(shí)的。
    這種同時(shí)性的絕對觀(guān)念或“絕對時(shí)間”，與愛(ài)因斯坦相對論的觀(guān)念是截然相反的。根據狹義相對論原理，在度量時(shí)間進(jìn)程時(shí)，會(huì )看到運動(dòng)的時(shí)鐘要比靜止的時(shí)鐘行進(jìn)得慢。根據廣義相對論原理，在較強的引力場(chǎng)中時(shí)鐘也行進(jìn)得較慢，即引力場(chǎng)中光譜線(xiàn)向紅端移動(dòng)?，F代物理學(xué)的發(fā)展，特別是相對論的提出及其后來(lái)得到證實(shí)，都證明了辨證唯物主義關(guān)于時(shí)間、空間與運動(dòng)著(zhù)的物質(zhì)具有不可分割聯(lián)系的原理，無(wú)疑是正確的。
    從計量學(xué)的角度來(lái)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)間坐標軸上的線(xiàn)段表示；后者則是這個(gè)線(xiàn)段上某一個(gè)點(diǎn)所表示的瞬間。前者表示事件持續的久暫，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)標準的時(shí)間間隔作單位，在時(shí)間坐標上計算事件發(fā)生的瞬間到原點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間坐標就稱(chēng)為“時(shí)標”(time scale)。根據起算原點(diǎn)和時(shí)間單位的不同，可以建立不同的時(shí)標，例如世界時(shí)、歷史時(shí)、國際原子時(shí)、協(xié)調世界時(shí)等。
    而能連續不斷地維持時(shí)標值或保持時(shí)標，給出時(shí)刻和時(shí)間間隔的工作就稱(chēng)為“守時(shí)”(time conservation)。守時(shí)的基本手段是鐘——指示時(shí)刻和計算時(shí)間間隔的計量器具，各種時(shí)標都是通過(guò)守時(shí)鐘的讀數體現出來(lái)的。守時(shí)還需要科學(xué)的時(shí)標計算方法和準確的時(shí)間比對手段。
    我國遠在公元前五百多年前，就利用“日晷”來(lái)觀(guān)測地球繞太陽(yáng)運行的周期。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(zhù)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。天文秒是根據天體運行周期，即宏觀(guān)運動(dòng)規律得到的。原子秒是根據原子振蕩周期，即微觀(guān)運動(dòng)規律或微觀(guān)量子效應得到的。
    在天文秒中，世界時(shí)(UT)的秒是以地球自轉運動(dòng)周期為基礎確定的，而歷書(shū)時(shí)(ET)則以地球繞太陽(yáng)的公轉運動(dòng)周期為基礎。地球自轉一周的時(shí)間稱(chēng)為“真太陽(yáng)日”，但地球同時(shí)還繞太陽(yáng)公轉，且公轉軌道又不是圓形而是橢圓的，所以這個(gè)真太陽(yáng)日很不均勻，最長(cháng)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(yáng)日的平均值定為平太陽(yáng)日，進(jìn)而把它的1/86400定為“平太陽(yáng)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(huì )(CGPM)決定以歷書(shū)時(shí)(ET)的秒取而代之。實(shí)際上，地球自轉速度有長(cháng)期減慢趨勢并時(shí)有不規則變化，平太陽(yáng)秒的測量不確定度只有10-8。而地球的公轉運動(dòng)卻比自轉運動(dòng)穩定得多，所以歷書(shū)時(shí)要比世界時(shí)均勻。
    但是，天文觀(guān)測畢竟繁瑣費時(shí)，人們對宏觀(guān)天體運動(dòng)的規律也難以全面掌握，而對時(shí)間準確計量的需求卻愈來(lái)愈高。于是，利用微觀(guān)量子效應來(lái)確定時(shí)間的呼聲高漲、進(jìn)展迅速，致使歷書(shū)時(shí)只用了7年，在1967年第13屆國際計量大會(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)超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個(gè)周期的持續時(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(lái)的天文秒盡量一致起來(lái)。眾所周知，原子的能級是非常穩定的，躍遷時(shí)輻射信號的周期自然也非常穩定，因此它比天文秒的穩定性要高10萬(wàn)至100萬(wàn)倍以上。而且測量方便，準確度高(10-13～10-14)，容易復現，因此原子秒的這個(gè)定義一直沿用至今。
    由上可見(jiàn)，不管是天文秒還是原子秒，說(shuō)到底都是根據時(shí)間不停流逝的特點(diǎn)，從周期性運動(dòng)現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(lái)獲取的，并且大致上以地球自轉一周24小時(shí)為依據。計量學(xué)家們所追求的，只不過(guò)是選擇一種盡量穩定準確的、易于復現和觀(guān)測的周期運動(dòng)而己。
    世界時(shí)以公元的起點(diǎn)作為時(shí)標原點(diǎn)，盡管不夠均勻穩定，但它準確反映了地球自轉的角位移，因而在大地測量、天文觀(guān)察和人類(lèi)生活方面仍有重要應用。以原子秒積累起來(lái)的原子時(shí)(TA)則廣泛應用于計量、衛星和無(wú)線(xiàn)電通訊等領(lǐng)域，盡管均勻穩定，卻沒(méi)有天然的時(shí)標原點(diǎn)。于是，1971年第14屆國際計量大會(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)對準看齊。
    但是原子秒比平太陽(yáng)秒略短，兩者對齊后隨著(zhù)時(shí)間的推移，原子時(shí)鐘的讀數會(huì )比世界時(shí)鐘讀數逐漸偏大。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年規定世界時(shí)與原子時(shí)應保持一致，調整量為1秒。1975年又改為0.9秒:當差值快接近0.9秒時(shí)，加或減一秒。這就是“閏秒”，它與公歷設閏年，農歷設閏月的道理是相似的。
    比方在格林尼治時(shí)間的0時(shí)區和西半球，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)間系統就是協(xié)調世界時(shí)(UTC)。自1972年實(shí)行協(xié)調世界時(shí)以來(lái)，已加設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，人們是可以準確度量或計量的。我國的時(shí)間計量基準由中國計量科學(xué)研究院