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时间是怎么测量的?

已有 7551 次阅读 2018-6-7 10:26 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦| 时间, 太阳时, 恒星时, 原子时, 世界时

时间是什么?几千年来,哲学家和科学家一直在试图回答这个问题,然而答案仍未完全清楚。我们在工作和生活中离不开时间,要用时间来标记过去、现在和未来,比较事情的发生先后,衡量运动的速度快慢......这些都只是时间的用途。


时间的定义,需要用到稳定的周期现象。目前用到的两类周期现象是:地球的自转和月球围绕地月质心的公转,原子跃迁的频率。前者的应用,带来了世界时和历书时,后者带来了原子时。


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图片来源:网络


实际上,太阳以及夜晚星空中点点恒星的运动,自古以来让人们着迷,其规律性很早被人们发现并被用来定义和测量时间。由于地球自西向东的自转,视觉上太阳和恒星每天东升西落。依据参照对象的不同,得到的时间标准分为太阳时和恒星时。我们日常使用的时间是其中之一吗?天文观测时经常使用的是哪种时间呢?


时间与太阳:

近太阳者先关注太阳,真太阳时与平太阳时

日出而作,日落而息。自古以来,人们都是以太阳作为生活的时间参照物。后来,天文学家将太阳视圆面中心连续两次经过上中天的时间间隔称为1个真太阳日。1个真太阳日分为24真太阳时,1真太阳时分为60真太阳分,1真太阳分是60真太阳秒。


为了更好地帮助大家理解“上中天”,先来引入一个以地球球心为球心、半径无限大的假想球。地球的赤道面无限延伸出去称为天赤道,地球的南北极向两端无限延伸与天球的交点称为南北天极。再引入一个地平坐标系:你就是那个观测者,假想有一条铅垂线经过你,无限延伸与天球相交,两个交点分别在你的头顶上方和下方,也因此得名天顶和天底;与该铅垂线垂直的平面称为天球的地平面,地平面与天球相交的大圆称为地平圈。


两个坐标系搭建好之后,你继续想象:你身处地球上的某个地方,有且仅有一个大圆包罗了你的天顶和大假想球的南北两极,该大圆就被称为你所处的那个地方的子午圈,子午圈在地平圈上的一半称为上子午圈,又名上中天;反之称为下子午圈或下中天。可以看出,天顶是个点,上中天或下中天是半个圆。


 

细心的你会发现,真太阳时有个不能忽略的问题:

真太阳日的长短不是恒定的,真太阳秒的时间长短是变化的。这是因为地球除了自转,还沿着椭圆轨道围绕太阳公转,且公转的黄道面与自转的赤道面存在约23.6度的夹角,使得在距离太阳不同远近的位置处,在地球上看到的真太阳日——太阳连续两次经过上中天的时间间隔有所不同,最大差别近1真太阳分。

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图片来源:网络


这就使得真太阳时在日常生活中使用起来不太方地球的公转和自转便,于是就有了平太阳时。天文学家假想有这样一个平太阳,它在天赤道上匀速运动,速度与真太阳在一年内视运动的平均速度,这里的“平”可以理解成“平均”。它连续两次经过上中天的时间间隔为1个平太阳日,即平常所说的“1天”,累积起来就是月和年,等分之后就是时分秒。1秒被定义成1/86 400个平太阳日。


大部分地方通常将平太阳处于下中天,即半夜视为一天的起点,那么当平太阳处于上中天时,对应的平太阳时就是12时。


需求推动了时间标准的统一:世界时            

由于平太阳时是按各地子午圈计量,因此某一瞬间不同地理经度地方的平太阳时是不同的,可以说平太阳时对应的是地方时。


地球是个弯曲的“球”,位于北京的你已经看到了太阳处在你的上中天,可位于新疆的他还在梦中,约两小时后才会看到太阳爬到了上中天。两个地方都用平太阳时来定时间,大家仍然能安安乐乐地生活。在遥远的过去,我们或许从不联系,或快马加鞭通信联系,或千辛万苦车马劳顿得以见面,时间标准的不同并不会带来多大麻烦。在其他国家,类似的故事也曾发生过。


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图片来源:网络

随着欧洲国家城市间的彼此交流增多,火车等交通方式变得频繁。快速穿梭于两个相距甚远的城市,两地持有的不同时间标准给火车出发到达时刻表的确定带来了问题。这个问题的解答关键在于建立一套统一的时间标准。可以说,需求推进了统一标准的确立进程。


统一时间标准的决议和初步确立,一直要等到1884年10月22日在美国华盛顿召开的国际子午线会议。截至1884年,大部分航海图和地图是以英国格林尼治天文台所在点作为本初子午线(即0度经线),大会将格林尼治天文台的平太阳时定为世界时(universal time, UT)。其他各地的地方平太阳时与世界时之间的差别等于各地的地理经度与格林尼治天文台的经度之间的差别。大会还将全球分成24个时区,以格林尼治天文台为零时区,东西各12个时区,每个时区横跨经度范围15度;每个时区内时间相同,而相邻时区的时间相差1小时。


之所以各地的地方平太阳时与世界时有差别,主要因为地球的自转。如果考虑得更细致些,会发现地球自转轴的位置也是在变化的,存在极移、岁差和章动,进而造成地球两极的位置发生变化,而地理经纬度的定义与极点位置相关。


所谓极移,指地球自转轴在地球本体内的移动造成的地极移动。天文观测资料发现,极移包括各种复杂的运动,有短周期和长周期的运动。极移背后的原因包括很多:如太阳、月球的引力,大气、海洋的作用,还有地球内部结合和活动。


所谓岁差,指在太阳、月亮和行星的引力作用下,地球自转轴围绕一条通过地球中心、垂直黄道面的假想轴缓慢而连续地做周期性圆锥运动(precession)。地球就像一个转动的陀螺,不仅存在自转,自转轴也在做圆锥运动,约每26000年会绕行一圈。


在上述岁差的描述中,其实假设了月球围绕地球公转的白道面与黄道面在一个面上。但实际上,白道与黄道相交5.15度,使得岁差没有那么平滑。地球自转轴在做圆锥运动时,不断在其平均位置的上下做周期性的微小摆动,幅度约9度,这种微小摆动便是章动(nutation)。


岁差和章动背后的原因主要是日、月和行星对地球的引力作用,但细节仍在研究之中。


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进动(precession)和章动(nutation)的示意图,图片提供:上海天文台 齐朝祥


UT有多个版本,其中UT1是最精确的UT。如何考虑地球自转是确定UT的关键。在UT1的获取过程中,根据瞬时自转轴相对于遥远类星体等天体的运动来考虑地球自转,于是就包含了本身自转、极移、岁差和章动这些因素对地球自转的影响。


而相对于UT1,UT0版本没有考虑到极移的影响;UT2版本去除了季节性变化给自转带来的影响,都不精确。目前UT1是最精确和常用的版本。


协调世界时

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目前世界上最准确的计时工具当属原子钟,它基于的标准不是宏观的天体运动,而是微观的原子内部。原子时的秒长被定义为铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9 192 631 770周所持续的时间。原子时是均匀的时间计量系统,尽管其准确度比UT1高数百万倍,但在不少科学家看来,这并不代表原子时就能完全取代世界时。由于地球自转长期减慢,基于地球自转的世界时时刻相对原子时时刻的滞后逐渐积累,如果完全依据原子时,终有一天,原子钟所显示的时间将超过世界时,也许原子钟显示半夜12点时,太阳却高悬正空,这不符合人类的生活体验。


因此,1972年,协调世界时(coordinated universal time,UTC)被应运提出,以国际原子时的秒长作为秒长的基准,规定UTC的时刻与UT1之间的差别控制在0.9秒内。在操作时,一般是如果时间差接近0.9秒(有时差异只有0.5秒左右)就可以引入闰秒,即对UTC增加或减小1秒。自从1972年首次引入闰秒,目前已引入26次闰秒,最近的一次是在UTC时间2015年6月30日的23时59分59秒增加1秒,变成23:59:60,再下一秒才是第二天的00:00:00。


天文学家的观星宝贝:恒星时

太阳与我们的生活密切相关,生活使用的时间标准参照太阳更符合日常经验。但在星表完备的情况下,恒星时的测量更精确和方便。包括恒星在内的天体都有自己在天球上的坐标。在观测前,天文学家希望知道该如何安排观测,就需要知道在某个时间段能看到坐标在什么范围的天体。平太阳时、协调世界时用起来,就没那么方便了。天文学家希望有一种时间系统:看到对应的时间,就知道处于什么坐标范围的天体在天上适宜观测。恒星时做到了!


从真太阳日的介绍进行类推,真恒星日就是天球上某恒星连续两次经过上中天的时间间隔,同样存在不均匀的问题。而且天上的恒星很多,该选哪一颗恒星呢?


为了定义平恒星时,天文学家再一次引入了假想,将“某一颗恒星”规定成“天球上的春分点”;考虑到地球自转不均匀的问题,故假想春分点在天球上的视运动是均匀的(即忽略了地球章动效应)。春分点和秋分点是地球的自转赤道面和公转黄道面在天球上的两个交点,彼此相距180度,春分点是从地球上看,太阳沿着黄道从天赤道以南向北穿过天赤道的点。在春分点和秋分点,太阳光直射地球轨道。


与平太阳时类似,平恒星时对应的也是地方平恒星时。某一个地方某一时刻的恒星时,就相当于春分点与对应时刻当地子午圈之间的夹角,以小时为单位。例如,在春分点这一时刻,太阳直射地球轨道,相当于春分点位于上中天(上子午圈),春分点与当地子午圈的夹角为0时,当地恒星时就是0时;一个月后的同一时刻,由于春分点已于2小时前经过了上中天,因此此刻春分点与当地子午圈的夹角为30度,即2小时,当地恒星时为2小时。两地的地方平恒星时之差在数值上,等于两地的地理经度之差。


平恒星时的应用

在赤道坐标系下,每颗恒星都有自己的坐标——赤经和赤纬。赤经,与地球上的经度相似,是沿着天赤道衡量的角度,起点是春分点,另一点是天体、南北天极所在的大圆与天赤道面的交点。以春分点为赤经0时开始,从西至东,增大至23小时、24小时(0时)。赤纬,与地球上的纬度相似,即地球纬度在天球上的投影。


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上海天文台佘山科普教育基地(佘山天文博物馆)展览的子午仪(图片来源:上海天文台)

子午仪口径8厘米,整体为铜铸,望远镜镜筒只能在南北线方向(即子午线)移动。它曾经参与1926年和1933年开展的国际经度联测工作。


在地球上任意地方任一时刻,位于当地的上中天的恒星有个共同点,赤经相同,都等于当地那一时刻的平恒星时。如此一来,就将天体的坐标与当地平恒星时联系起来。一旦知道了当地平恒星时,大家就能知道此刻赤经与当地平恒星时相当的天体就在上中天,适宜观测。逻辑上反过来说,由于大部分恒星在天球坐标系上的位置近乎恒定,只要天文学家给它们位置数字化的标准不变,那么赋予它们的位置信息——赤经、赤纬是恒定的。世界上不同地方的天文学家可借助它们作为参照,通过观测它们经过子午线的时刻,可以校准钟表时间,还可以用来测量经度,这也是中星仪(又称子午仪)- 一种观测恒星过上中天时刻的天体测量仪器的主要工作原理。


如何理解上段最后一句话呢?当已知另一个天文台此刻在它的上中天所看到的恒星的赤经坐标时,也就知道了那个天文台所在地的当地平恒星时,两个地方的平恒星时之差就是两地的经度之差。如果已知其中之一的经度,就能知道另一个地方的经度。或者已知两个地方的经度之差,就能知道两地的地方恒星时差别,且如果还已知某一时刻另一个天文台的当地恒星时,就能推算出本地恒星时,与本地实测的恒星时进行比较,就能校准本地时间。


太阳时、恒星时是基于地球自转带来的天体(或假想对象)东升西落这一周期现象来测定时间,前者是看太阳或假定的平太阳,后者是看恒星或假定的春分点。它们都需要按各地的子午圈计量,对应的都是地方时。

人类对时间精度的需求促进了世界统一时间标准的诞生,从而有了根据经度设定时区,基于平太阳时建立世界时。世界时说到底还是基于天体运动,缺点是需要长时间的天文观测,实现难度大,精度越来越适应不了人类科技活动的高精度要求。于是,便有了高精度的原子时,然而只使用原子时,日积月累会造成不符合人类的日常生活体验。原子时加上世界时,共同缔造了协调世界时,这是我们目前共用的时间系统。


世界时用的是平太阳时,难道说恒星时就无用武之地了吗?非也,天文学家在天文观测时最喜欢使用恒星时了,因为综合它和天体的赤经坐标,就能知晓此时此刻适合观测哪些天体。


注:本文首发于《科学画报》,后有修改。    

感谢上海天文台的同事齐朝祥老师给予的建设性意见。



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