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关于生活中经常出现的时间计量单位的解说

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发表时间:2016-01-18 14:42作者:西安同步来源:西安同步原创

在人们的现代生活中,对于较长的时间间隔,例如追忆往事或计划将来,往往以“年”为单位。我们今天对“年”已经习以为常了。但是,人类认识这一周期并把它组织成适用的时间单位,却花去了科学史上上千年的时间!虽然目前科学史家还不能确切地说明年这个概念产生的具体年代,但有一点可以肯定,即它一定是随着农业社会的发展而出现的。

时间同步单位


因此,我们可以认为原始人类认识年,*早不是根据天象,而是根据大地上各种自然现象:河水泛滥,草木枯荣,鸟兽迁徙,寒暖交替,等等。即使在今天,有些农民根据这些自然现象判断季节,相差还不会太大。这些自然现象统称为“物候”。古人在大量直观观察基础上,思考这些物候的变化规律,逐步形成了“年”的概念。

月亮的出落,以及它的圆缺变化是人类*早认识的天象之一。每月初一、三十,完全看不到月亮,这就是“朔”。十五前后月亮*圆,称为“望”。人们注意到朔、望变化具有相当准确的周期,由此产生了朔、望月概念。所谓朔、望月,约等于29--30天。朔望月的出现是人类继“日”之后认识的又一个时间周期,从原始计时单位“日”发展到更长的时间单位“月”,标志着人类对于时间的认识和测量又向前迈进了一步。现代观测表明,较为准确的朔望月长度约为29.5306天。请记住这个数字,它是阴历中区分大小月的依据。

中国是古人类*早发源地之一。中国*古的文字是殷商时代的甲骨文。它是刻在乌龟壳和牛胛骨上的一些神秘的花纹。通过考察所出土的甲骨文表明,早在三千多年以前,我们的祖先就已经用一种叫做“干支”的方法来记日了。干指天干。它由“甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸”十个字组成。支是地支。它用“子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、酉、戌、亥”十二个字表示。一个天干配上一个地支,就组成一对干支。
  干支记日的顺序是:以某一天为甲子,第二天就是乙丑,第三天就是丙寅,以此类推,第六十一天又回到甲子。只要选取某一天为开头,以后的日子就都可以称呼了。这种方法虽然简单,但它出现在三千多年以前的殷代,不能不说是一大创造。据史料记载,我国从春秋时期鲁隐公三年(公元前722年)二月己巳日起就开始连续记日,直到清代宣统三年(公元l911年)止,共二千六百多年,这是迄今所知世界上*长的记日资料。干支还被用来记月,但时间不长就废止了。用干支记年大约始于东汉初期,以后从未间断过。直到今天,例如2008年,我国的日历上还印有“戊子年”字样。这就是说,公元2008年,农历是戊子年。

在我国又有百刻制和十二时辰之分。 所谓百刻制,就是将一天划分为一百等分。而十二时辰则是把一天划分为子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、酉、戌、亥十二个小段。每小段又划分为初、正两部分,如子初、子正等。

十二时辰与24小时对照表

子初23时~0时午初11时~l2时

子正0时~l时午正12时~l3时

丑初1时~2时未初13时~14时

丑正2时~3时未正14时~l5时

寅初3时~4时申初15时~l6时

寅正4时~5时申正16时~l7时

卯初5时~6时酉初17时~l8时

卯正6时~7时酉正18时~l9时

辰初7时~8时戌初19时~20时

辰正8时~9时戌正20时~21时

已初9时~l0时亥初21时~22时

已正10时~ll时亥正22时~23时

公历中还有一种短于月而长于日的时间划分——星期制。它以七天为周期循环计日。“星期”的概念体现了不同民族的文化的奇特结合。以七天为周期划分时间,*初大概是来源于对月亮的观察。月亮是夜空中*引人注目的天象。古人很早就发现朔望周期。一个朔望月约有29.5天,朔时看不到月亮的时间大约为一天,其余二十八天中都能见到月亮。古人为了短期记日,把见月的二十八天四等分,似乎就是顺理成章的事了。
  **次给七天中的每一天以专门名称的是巴比伦人,他们以当时所能看到的主要天体来命名它们。太阳*使人们关注,它被用来命名七天中的**天;月亮次之,然后顺序是火星、水星、木星、金星和土星。只是到了这个时候,才出现今天所说的“星期”。所谓星期,顾名思义,指的是星星到来的日期。就是说,知道了某一天的代号的星,便可知道它是哪一天。

现在世界通用的历法是格里历,又叫做公历。公历是怎么来的?它是在古罗马历法基础上发展起来的,而古罗马历法又是从埃及继承过来的。

儒略历把一年的长度取为365.25天,同精确的回归年长度(365.2422)天相差0.0078天。这个差数虽然很小,十年、八年中间不大容易反映出来,但成百上千年地累积下去就很可观了。简单的数学计算可知,经过128年,儒略历就会超前回归年一整天。

格里历的编排方法是:取一年长度为356.25天,一年分成12个月,大约31天,小月30天,2月份为28天。它设置闰年:每4年1闰,闰年时2月份为29天,但每逢百年且能被400整除时,才作为闰年。格里历与儒略历衔接得很好,它提供了一个既具有必不可少的精度,又具有人们所希望的简单易行的优点,为世界上越来越多的国家所接受,以致变成现在世界通用的所谓“公历”。

人们*早选定的时间标准是以地球对太阳公转与自转为基础的,称为世界时。它规定一个平太阳日的86400分之一为1秒,即天文秒。后来发现,地球自转速率并不均匀,它的精确程度约3年差一秒。经过长期观测修改后产生了运行更均匀的历书时,其精确度是30年差一秒。
  1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义:“秒是以铯-l33,原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。”原子时的时刻起点为l958年1月1日0时。
  国际原子时的稳定性是由分布于世界各地、隶属于几十多个国家的数十家实验室的原子钟定期比对来保证的。这些原子钟的比对是通过罗兰-C系统、GPS系统、卫星双向系统进行的。比对的不确定度根据比对方法的不同而不同,但都小于0.1微秒。

通过天文观测地球自转的周期,可以定出的太阳日被称为视太阳日。将视太阳日均分为86,400等份,每一份便是时间单位“秒”。但从全年来看,这个时间单位的值仍然是变化的。为了得到全年一致的时间单位值,历史上曾经有这样的做法:把全年的视太阳日加起来,再取平均就得到一个平太阳日,然后均分为86,400等份,每一份便是时间单位秒。简单说来就是按年观测取平均,然后得到秒。19世纪末,美国天文学家纽康引进“假太阳”测定平太阳时。天文学界规定:在英国格林尼治测定的地方平太阳时叫做世界时。
  世界时(UT)的秒定义为:1秒等于平太阳日的86 400分之一。

1960年第十一届国际计量大会决定采用:根据地球公转周期获得的历书时(ET),历书时的秒定义:“秒为1900年1月0日历书时l2时起算的回归年的31 556 925.9747分之一”。简单说来就是多年观测来确定秒。由于科学技术的发展,尤其是稳定、准确的石英晶体振荡器和石英钟的出现并用于守时,人们发现地球的自转是不均匀的,在不同的年度得到的世界时秒长并不一致,于是便出现了历书时和原子时。

随着量子理论和电子学的发展,人们认识到,原子或分子振荡的周期相当稳定,远远超过世界时和历书时所依据的天文标准,若用其来定义秒,可以使秒的精度大大提高。利用原子振荡频率确定的时间标准称为原子时。

协调世界时的秒长与原子时一致,而时刻则是利用闰秒协调来与世界时保持一致的(两者的时差控制在±0.9s 以内),这就可以满足各方面的需要了。从1972年起,世界各国的标准频率和时号发播台都正式播发协调世界时。l974年国际上确定把协调世界时作为国际的法定时间。

我们知道,原子时由原子钟提供,它的秒长十分稳定,但它的时刻没有具体物理内涵。而世界时则恰好相反,它的秒长实际上并不固定,但它的时刻对应于太阳在天体中的特定位置,这不仅与人们日常生活密切相关,而且在地面定位、飞机和舰船导航中、大地测量、天文导航和宇宙飞行体的跟踪测量等领域,都需要知道世界时时刻;而精密校频等物理学测量,则要求有均匀的时间间隔,即需要稳定的原子时秒,于是就出现世界时和原子时如何协调的问题。国际无线电咨询委员会(CCIR)在1971年确定了协调方案:
  (1)从1972年1月1日O 时起,频率调偏值取为零,这就保证了UTC秒长和原子时秒长的一致.
  (2)当原子时与世界时的时刻之差接近0.9s时,可以对UTC时号发播时刻实施一个整秒的阶跃,阶跃的这一秒称为闰秒。凡增加1 s(即推迟1 s)称为正闰秒,减少1 s(即提前1 s)称为负闰秒。

在英国格林尼治零子午圈上测得的平太阳时叫格林尼治地方平时,亦称格林尼治标准时间。

中国幅员辽阔,从西到东横跨东五、 东六、 东七、东八和东九5个时区。中华人民共和国成立以后,全国采用首都北京所在的东八时区的区时,为标准时间也叫北京时间。北京时间是东经120度经线的地方平太阳时,而不是北京的地方平太阳时。北京的地理经度为东经116度21分,因而北京时间与北京地方平太阳时相差约14.5分。北京时间比格林威治时间(世界时)早8小时,即:北京时间=世界时+8小时。

任何有周期的运动都可以作为时间测量的标准。华人叶军的研究小组,于2006到2007年,做成一台世界上*准确——每7000万年仅误差1秒的锶原子光钟,精度超过了目前存放于美国国家标准和技术局的铯原子钟,并有望取代铯原子钟成为世界新的计时标准。
  在时间的长河里,1秒只不过是时钟里简单的一声“滴答”。但对物理学家来说,对这一“滴答”声的定义和测量却走过了漫长路程。时间测量的精度是在不断提高的。
  1350年,**座机械闹钟出现在德国。1583年,伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关,这是时钟历史上的一大进步。1656年,荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了**座自摆钟,从此,时钟误差可以秒来计算。到1762年,*好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精度。1945年,美国纽约哥伦比亚大学物理学家拉比提出用原子束磁共振技术来做原子钟的概念。1948年,美国国家标准和技术局NIST用氨分子作为磁振源,制成了世界上**台原子钟。1952年,NIST制成**台铯原子钟,将之命名为NBS-1(是以当时的美国国家标准局〈National Bureau of Standards〉命名,简称NBS),这一命名规则一直延续到1975年的NBS-6。现在存放于NIST的铯原子钟为NIST-F1,精度为3000万年差一秒。

在实际使用中需要经常不断地知道准确的时刻。所以就需要把时间“保存”起来,这样,在随时用得着的时候就会知道准确的时刻。这种通过原子钟组来保持、优化、计算、比对,获得很高稳定性时间的过程就叫作守时。守时工作的好坏与原子钟资源、守时算法、比对技术密切相关。
  原子时(包括协调时)是由原子钟组成和保持的。由于受原子钟使用寿命、稳定度,准确度和复制性各因素的限制,实际上也往往是用多台原子钟来构成原子时。常常用作为基准使用的大铯钟或氢原子钟,逐日校准一组作为工作钟使用的铷原子钟来构成原子时及其守时系统。也有用多个小铯钟组成钟组来构成原子时系统的。原子钟的精度决定着它所给出的原子时的精度。中国科学院国家授中心负责国家时间频率基准的守时。它的原子时TA(NTSC)和协调世界时UTC(NTSC)由铯原子钟和氢原子钟组成的钟组经精密对比和计算后实现,并通过卫星双向法比对和GPS共视法比对与国际时间标准相联系,对国际原子时TAl和UTC的稳定保持做出贡献。目前,原子时TA(NTSC)的频率稳定度优于1E-14/(5天),协调世界时UTC(NTSC)的频率准确度优于1E-14,协调世界时UTC与UTC(NTSC)差的绝对值小于50ns。

时间比对是指将两地时钟设备进行同步测量,从而给出它们之间的时间差。采用时间比对技术可以完成标准时间的传递、同步校准。

时间比对可以采用直接搬运原子钟法,也可以采用通过载体(长波、短波、电视、微波、卫星、网络、电话等)进行比对。