动静实验室 | 今天,我们“操纵”了时间

动静
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在影视作品中,对时间的操弄屡见不鲜。然而,现实中时间最大的特点却是不可逆转。

在海上,一秒之差能让轮船的航行偏离数百米;在田径场,0.01秒的差距就能决定冠军的归属;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——正因如此,人类才需要标准的时间。我们才要把时间计量精度研究得越来越高,才要让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。

今天,动静实验室就来到了贵州省“最准时”的地方。

为什么说它“准时”?我们首先要弄清楚时间的标准是什么。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,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。

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,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。而后人们注意到月亮的变化,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。至于“年”,人类最早认识它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,在春、夏、秋、冬无限循环中,人类逐渐总结出用年来计量时间。

虽然有了年、月、日,但一天从何时开始、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。

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都源自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,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,准确性相当于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。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。

在我国,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”达到的准确度350万年不差一秒。

在追求时间精度的过程中,人类将永无止境。

记者

王一雄 曾紫琪 黄堇茗 梁林杰 邢宇清 田园驰航

编辑

黄堇茗 王一雄

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苏姝

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