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发信人: dxmxqe (在等待), 信区: Aero
标  题: 时间为何要350万年不差一秒
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat Jan 10 16:12:54 2004), 站内信件

2004-01-09

　　用广播传递的时间，准确度是十分之一秒；田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负
；汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；炮弹发射是在千分之一秒内发生的；
雷达技术需要百万分之一秒的时间精度；导弹或使用全球定位系统的飞行器计时精度需要
达到十亿分之一秒；对核潜艇进行无线电导航，时间精度要达到百万分之一秒；科学家研
究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；要准确测量光速需
要百亿分之一秒的准确度。从这些实例中我们认识到人类为什么要不断提高计量时间频率
的精度了———

　　在日常生活中，时间总是一刻不离地伴随着我们的日常生活和社会生产活动。黎明的
曙光、绮丽的晚霞，枫叶的红绿、大雁南来北往，天体的演变等等，都无不在时间的长河
中进行。那么，什么是时间呢？我们为什么要把时间计量精度研究的越来越高呢？10万年
不差1秒，30万年不差1秒，300万年不差1秒，3000万年不差1秒，甚至3亿年不差1秒，那么
高的精度有什么作用和意义呢？

　　■尽管历史上许多人都力图给时间下一个定义，但到现在时间还是没有一个科学而准
确的答案

　　有人会说：时间不就是几时、几分、几秒吗？不对，几时、几分、几秒是利用钟表计
量时间的单位和尺度，并不是时间的含义，没有钟表时间照样存在。在人类对客观世界的
感觉和抽象中，最难捉摸的就是时间。它看不见、摸不着，既无开头、也没终点，长流不
息、永恒向前，但它又是客观存在、又不以人们的意志而转移。“子在川上曰，逝者如斯
夫”，时间就是这样在我们的身边流逝。

　　什么是时间呢？历史上许多物理学家、数学家和哲学家都力图给时间下一个定义，但
都没有一个科学而准确的答案。唯心主义说，时间是不可知的怪物。唯物主义说，时间是
物质，是不以人的意志而客观存在。爱因斯坦说，时间就是钟表。人们对于时间的认识有
着十分悠久的历史，综观人类对时间认识的发展过程，大有“不识庐山真面目，只缘身在
此山中”的感觉。但是，人类是具有抽象能力的，所以人类不仅创造了计量时间的历法和
计量时间的钟表，而且，还利用最新科学不断地以更有效的方式探索时间本身的奥秘。


　　■从利用日、月计量，到利用钟表等工具计量，再到如今出现的高精度激光冷却原子
喷泉钟，人类对时间的计量精度越来越高

　　人类最早认识时间的计量单位是“日”，原始群居时代给人们最直观的感知是日出、
日落，因此就有了日的概念。当晴朗的夜空明月高悬、清澈如镜的月亮出落时，给人类产
生了很大影响，引起了人类的遐想和憧憬，“嫦娥奔月”，“寂寞嫦娥舒广袖，万里长空
且为忠魂舞”，这些不朽的诗句为美丽的神话壮色生辉。在行军打仗时也要月色，“举事
常随月，盛壮以攻战，月亏则退兵”。在古代，人们把月亮看得非常重要，月亮的变化，
如新月、上弦、满月、下弦、残月就给人们计量时间“月”提供了依据，并把它分为大月
或小月。时间计量最大的单位“年”是人类花去上千年的时间，才把它组织成适用的时间
单位。人类最早认识“年”不是根据天象，而是根据大地的自然现象，比如河水泛滥、草
木枯荣、鸟兽迁徙、寒暖交替等等，这些自然现象被人们命名为“物候”。“离离原上草
，一岁一枯荣”，在春、夏、秋、冬无限循环中，人类逐渐总结出了用年来计量时间了。


　　年、月、日是用来规定时期的起点，那么一天，从何时开始，一月由哪里起计、新年
始于哪一天？这些问题不解决，我们就不能得到实用的计量时间系统。在日、月、年的长
度确定后，就可以得出时、分、秒。要准确地计量时间就不能离开科学，那就是计量时间
的工具：钟表。我国古代钟表就有：①圭表，测量日影长度的仪器，利用了立竿见影的道
理，观测回归年的长度；②日晷，同样是以日影测定时间的仪器；③沙漏，利用细沙流动
现象计时；④滴漏，利用水的流动性计时。随着科学技术的发展，为了满足生产发展的需
要，在公元8世纪到14世纪的长时间间隔内，随着金属冶炼技术和加工能力的提高，就发明
了机械钟来计量时间了。机械摆钟、现代钟表、电子钟表、石英钟表、晶体钟表，直到现
在高精度的原子钟、激光冷却原子喷泉钟。

　　■长期以来，我们使用的标准时间是人类赖以生存的地球

　　世界上有无数的钟和表。这些钟表计时准不准，怎么能使成千上万的钟表在同一地区
走时一致，或者在全球能保持相对稳定的偏差呢？国际计量局、国际时间局就要有一个“
标准时间”。让全世界各国的钟表都能随时随地的直接或间接的与标准时间对准。

　　长期以来，我们使用的标准时间是人类赖以生存的地球，这个巨大的时钟本身是表盘
，经线就是表盘上的刻度，表盘转动，指针不动，当地球转动一圈时，就是24小时，这就
是“真太阳日”。它的86400分之一就是一秒的长度，这个秒长度就是“平太阳秒”，由地
球自转与公转计量的时间，就是我们常说的世界时（UT），过去叫格林尼治时间。由于地
球自转周期时快时慢，就会影响计量时间的精度，大约一天内有1~3毫秒的误差（相对值为
10-8量级），这样对我们的生活影响不大，但对科研及尖端技术领域来说就满足不了需要
。

　　■宏观世界的稳定性远不及微观世界，原子钟的问世为人们确定时间提供了更为准确
的基准

　　宏观世界的稳定性远不及微观世界的稳定，人们在确定时间基准的实践中，开始迈向
微观世界，原子钟的问世为此提供了条件。1967年，国际计量大会决定，将铯133原子在基
态的两个超精细能级结构间零场跃迁时，辐射频率的9192631770个周期的时间间隔为一秒
。从此原子秒取代了平太阳秒。原子钟的准确性已优于1×10-14,相当于30万年不差一秒。
由此，世界标准时间采用原子时（AT）。原子时比世界时精度高，两者就有了微小的偏差
。因此科学家们就对原子时与世界时进行协调。否则，日积月累就会出现原子时与世界时
间有较大的差距，不能符合日出日落的规律。

　　■为了统一世界时和原子时，于是有了协调世界时，它使我们每年的最后一分钟有可
能多出一闰秒

　　世界时和原子时是两个独立的时标，两者出现偏差时，尽管地球自转有快有慢影响了
世界时的精度，但是原子时还是要迁就地球自转为基础的时标，这样才能保证时间与季节
的协调一致，不出现阴差阳错。因此就产生了第三种时标，称为协调世界时（UTC），它所
采用的时间计量单位仍是原子秒。在时刻上规定与世界时的平太阳秒超过0.9秒时，做1秒
整数调整，拨快或拨慢1秒，称为闰秒。闰秒由国际计量局向全世界发出通知，一般在12月
份最后一分钟进行。如果一年内闰1秒还不够，就在6月再闰1秒。到目前为止由于地球转速
越来越慢，都是拨慢1秒，60秒改为61秒。负闰秒还没有发生过。

　　■我国时间频率基准装置已由相当于10万年不差1秒，提高到相当于350万年不差一秒


　　大家知道，地球圆周360度，“本初子午线”的位置是1884年决定由英国伦敦格林尼治
天文台埃利中星仪所处的位置作为本初子午圈，又称零子午圈。地理经度记为零度。从它
开始向东和向西分别计量，称为东经和西经，它们从0度变化到180度。在零子午圈上测得
的平太阳时叫格林尼治地方平时，也称格林尼治标准时间。

　　世界时区的划分以本初子午线为标准，东西各划出12个时区，东12时区和西12时区重
合，全球共24个时区。按着国际惯例，各国的标准时间一般都以本国首都所处的时区来确
定。因此，解放后，我国采用以首都北京所在的东八时区作为全国的标准时间。又称为“
北京时间”。北京时间比世界时（格林尼治时间）早8小时，即北京时间＝世界时＋8小时
。

　　我国的标准时间是北京时间。中国计量科学研究院的时间频率基准钟进行标准时间量
值的传递，并利用多台原子钟守时，通过国际比对，参加国际原子时合作，由国际计量局
每月给出与协调世界时的偏差，偏差不确定度小于10纳秒（1纳秒为10亿分之一秒）。中国
计量科学研究院负责建立的我国时间频率基准装置，已由1986年建成的准确度为3×10-13
,相当于10万年不差1秒，提高到2003年12月24日通过鉴定的新一代时间频率基准，“激光
冷却———铯原子喷泉时间频率基准装置”，准确度达到8.5×10-15,相当于350万年不差
一秒。

　　标准时间的量值是建立在时间频率基准上的，中国计量科学研究院守时实验室接收经
过国际计量局修正产生中国计量科学研究院的原子时，在实际上实现北京时间。通过中央
电视台一套节目、电话和网络向全国发播，为不同的用户服务。通过计量院校准后的原子
钟、石英钟等最高可校准到1×10-13,相当于10万年不差1秒。

　　■在追求时间精度的过程中，人类将永无止境

　　在我们的生活中，1秒的时间，是非常短暂的，精确到秒已经足够了。可在某些领域，
用秒来计量时间，又太长了。用广播传递的时间，准确度是十分之一秒；在运动场上，田
径运动员有几分之一秒之差就决定胜负。要判断谁胜谁负，就要求秒表的计量精度在0.1秒
；汽车、飞机的发动机在每分钟转动数千周，为改变发动机的频率，在百分之一秒的时间
内，时间测量要精确到0.01秒；炮弹在发射过程中是在千分之一秒内发生的，时间测量要
精确到0.001秒；雷达技术需要知道的是百万分之一秒的时间精度。对于导弹，或使用全球
定位系统的飞行器来说，要使定位误差控制在3米之内，计时精度就要十亿分之一秒；对核
潜艇进行无线电导航时，时间测量精度要达到百万分之一秒；对核潜艇进行无线电导航时
，时间测量精度要达到百万分之一秒，否则就会造成300米位置的误差；在浩瀚无际、水天
一色的大海上航行的轮船1秒钟的误差，就会使轮船偏400米的位置；科学家在研究原子构
造、宇宙射线等的进展中，往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；激光测量地球到
月球的距离为38400公里的遥远距离，误差只有几厘米，这就要求时间的测量精度达到10-
10以上的量级才行；地球绕太阳自转，差1秒就失去30公里；光的速度一般称为每秒30万公里，那么，百万分之一秒的时间误差，就会带来300米的测量误差
。如果没有十亿分之一甚至百亿分之一秒的准确度，要准确地测量光的速度是不可能的。
爱因斯坦的相对论，在有了原子钟以后才被验证是正确的。高速摄像机1秒钟内能拍摄一亿
幅画面，速度惊人，这就是说只有精确控制每幅拍摄的时间，才能实现高速度。物体绕地
球转，它的速度得达到每秒7.9公里；炮弹飞向月球，它的速度必须每秒达到11.2公里。飞
船、卫星发射、入轨、制导、重返大气层、安全着陆回收，每一个过程，每一环节，都需
要精确时间计量。从发射场、飞行控制中心，到回收监视区域都需要有专门的控制时间的
系统和时间统一服务系统，以此给各部位提供高精度的时间信号，以保证发射成功。   从
以上的实例中，我们认识到了人类为什么要不断的提高计量时间频率的精度了。摆钟一天
快慢为千分之一秒；石英钟一天为万分之一秒；分子钟一天为百万分之一秒，只有铯原子
钟30万年不差1秒，原子喷泉钟可达到3000万年不差1秒；光钟甚至于达到3亿年不差1秒，
才能满足时代科技发展的要求。

　　■文并供图/中国计量科学研究院宣传部部长高级工程师卢敬叁

来源：《北京青年报》 
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