时间及其单位秒

施昌彦

    时间是什么？历史上曾经争论不休。哲学家康德认为时间和空间不是客观存在的，而是人的先天的直观形式。马赫则把它看作是“感觉系列调整了的体系”，是用来整理认识材料的工具。物理学家牛顿认为时间是均匀流逝着的，它与空间和空间盛着什么物质毫无关系，即在一个系统中同时发生的两个事件，不论在什么系统中观察都是同时的。
    这种同时性的绝对观念或“绝对时间”，与爱因斯坦相对论的观念是截然相反的。根据狭义相对论原理，在度量时间进程时，会看到运动的时钟要比静止的时钟行进得慢。根据广义相对论原理，在较强的引力场中时钟也行进得较慢，即引力场中光谱线向红端移动。现代物理学的发展，特别是相对论的提出及其后来得到证实，都证明了辨证唯物主义关于时间、空间与运动着的物质具有不可分割联系的原理，无疑是正确的。
    从计量学的角度来看，时间这个概念至少具有时间间隔和时刻两种含义。前者是连续流逝的时间中两个瞬时之间的间隔，即有起点和终点的一段时间，可用时间坐标轴上的线段表示；后者则是这个线段上某一个点所表示的瞬间。前者表示事件持续的久暂，后者表示事件发生的迟早。
    欲表示事件发生的时刻，首先要选取一个时刻作为起算的原点，然后以一个标准的时间间隔作单位，在时间坐标上计算事件发生的瞬间到原点之间的时间间隔。这个时间坐标就称为“时标”(time scale)。根据起算原点和时间单位的不同，可以建立不同的时标，例如世界时、历史时、国际原子时、协调世界时等。
    而能连续不断地维持时标值或保持时标，给出时刻和时间间隔的工作就称为“守时”(time conservation)。守时的基本手段是钟——指示时刻和计算时间间隔的计量器具，各种时标都是通过守时钟的读数体现出来的。守时还需要科学的时标计算方法和准确的时间比对手段。
    我国远在公元前五百多年前，就利用“日晷”来观测地球绕太阳运行的周期。以后又创造了沙漏、水漏、滴漏等守时工具。在中国历史博物馆至今还珍藏着元朝后期(1361年)创制的“铜壶滴漏”。
    在国际单位制(SI)中，表示时间这个基本物理量的单位是秒(s)，它经历了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是根据天体运行周期，即宏观运动规律得到的。原子秒是根据原子振荡周期，即微观运动规律或微观量子效应得到的。
    在天文秒中，世界时(UT)的秒是以地球自转运动周期为基础确定的，而历书时(ET)则以地球绕太阳的公转运动周期为基础。地球自转一周的时间称为“真太阳日”，但地球同时还绕太阳公转，且公转轨道又不是圆形而是椭圆的，所以这个真太阳日很不均匀，最长的一天与最短的一天相差约51秒。
    于是，人们把一年中真太阳日的平均值定为平太阳日，进而把它的1/86400定为“平太阳秒”。这就是最初的秒的定义，一直沿用到1960年第11届国际计量大会(CGPM)决定以历书时(ET)的秒取而代之。实际上，地球自转速度有长期减慢趋势并时有不规则变化，平太阳秒的测量不确定度只有10-8。而地球的公转运动却比自转运动稳定得多，所以历书时要比世界时均匀。
    但是，天文观测毕竟繁琐费时，人们对宏观天体运动的规律也难以全面掌握，而对时间准确计量的需求却愈来愈高。于是，利用微观量子效应来确定时间的呼声高涨、进展迅速，致使历书时只用了7年，在1967年第13届国际计量大会上，正式决定以原子秒取代天文秒:“秒是铯-133原子基态的两 个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间”。
    在秒的新定义中之所以采用这么多个周期，即把铯-133原子的振荡周期积累这么多次，其目的是使原子秒与原来的天文秒尽量一致起来。众所周知，原子的能级是非常稳定的，跃迁时辐射信号的周期自然也非常稳定，因此它比天文秒的稳定性要高10万至100万倍以上。而且测量方便，准确度高(10-13～10-14)，容易复现，因此原子秒的这个定义一直沿用至今。
    由上可见，不管是天文秒还是原子秒，说到底都是根据时间不停流逝的特点，从周期性运动现象中截取周期的若干分之一(天文秒)或周期若干倍(原子秒)的方式来获取的，并且大致上以地球自转一周24小时为依据。计量学家们所追求的，只不过是选择一种尽量稳定准确的、易于复现和观测的周期运动而己。
    世界时以公元的起点作为时标原点，尽管不够均匀稳定，但它准确反映了地球自转的角位移，因而在大地测量、天文观察和人类生活方面仍有重要应用。以原子秒积累起来的原子时(TA)则广泛应用于计量、卫星和无线电通讯等领域，尽管均匀稳定，却没有天然的时标原点。于是，1971年第14届国际计量大会决定采用国际原子时(TAI)，其起点是1958年1月1日0点，即在此刻它与世界时对准看齐。
    但是原子秒比平太阳秒略短，两者对齐后随着时间的推移，原子时钟的读数会比世界时钟读数逐渐偏大。比方，从起点1958年到1995年末的38年间，原子时钟比世界时钟慢了近30秒。
    为此，从兼顾不同方面的需要出发，国际上在1972年规定世界时与原子时应保持一致，调整量为1秒。1975年又改为0.9秒:当差值快接近0.9秒时，加或减一秒。这就是“闰秒”，它与公历设闰年，农历设闰月的道理是相似的。
    比方在格林尼治时间的0时区和西半球，1995年12月31日这一天不是平日的86400秒，而是86401秒，新年钟声推后了一秒钟。再上一次发生在1994年6月30日末。这增加的一秒钟即是闰秒，这种时间系统就是协调世界时(UTC)。自1972年实行协调世界时以来，已加设20个闰秒，均发生在年末或半年末。
    所以，时间与空间一样，人们是可以准确度量或计量的。