□ 聞新 劉釗

星系和宇宙 時(shí)間系統(tǒng)

□ 聞新 劉釗

時(shí)間與時(shí)間系統(tǒng)建立

古羅馬帝國(guó)時(shí)期天主教思想家?jiàn)W古斯?。ㄗ髨D）和故宮博物院的日晷（右圖）

中世紀(jì)著名思想家?jiàn)W古斯丁有一句名言：“時(shí)間是什么？人不問(wèn)我，我很清楚，一旦問(wèn)起，我便茫然?！睍r(shí)間是一個(gè)很抽象的概念，生活中我們知道時(shí)間具有流逝性和測(cè)度性，流逝性是指時(shí)間一去不復(fù)返，測(cè)度性是指時(shí)間是可以測(cè)量的。

時(shí)間還包含“時(shí)刻”和“時(shí)段”兩個(gè)概念，在古代時(shí)期，科學(xué)家們發(fā)明了用一天內(nèi)日影方向和長(zhǎng)度變化來(lái)測(cè)定時(shí)間的“日晷”和“圭表”等裝備；后來(lái)，又發(fā)明了利用流體計(jì)時(shí)的“銅壺滴漏”、“燃香”等計(jì)時(shí)方法等等，這些裝備和方法都利用了周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

在今天的日常生活中，人們通常采用鐘表計(jì)時(shí)，而且還建立了完備的時(shí)間系統(tǒng)，如以地球自轉(zhuǎn)為規(guī)律的世界時(shí)、以太陽(yáng)系內(nèi)行星公轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的歷書(shū)時(shí)、以物質(zhì)內(nèi)部原子的躍遷過(guò)程中輻射或吸收的電磁波頻率為基準(zhǔn)的原子時(shí)等等。

世界時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)

地球的時(shí)區(qū)劃分

在1884年召開(kāi)的華盛頓國(guó)際經(jīng)度會(huì)議上，專(zhuān)家一致認(rèn)為雖然已經(jīng)制定了不同區(qū)域的地方時(shí)，但是在一些重大的全球性活動(dòng)中，還需要有一個(gè)全球范圍內(nèi)大家都共同遵守的統(tǒng)一時(shí)間，因此大會(huì)又規(guī)定了“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”?！皣?guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”要求全球范圍內(nèi)以0經(jīng)度線上的時(shí)間作為國(guó)際上統(tǒng)一采用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，因?yàn)?經(jīng)度線通過(guò)英國(guó)格林威治天文臺(tái)，所以“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”也稱(chēng)為“格林威治時(shí)間”，又稱(chēng)世界時(shí)。

世界時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，不夠精確。1979年在日內(nèi)瓦舉行的世界無(wú)線電行政大會(huì)通過(guò)決議，用“協(xié)調(diào)世界時(shí)間（UTC）”取代“世界時(shí)”，并作為無(wú)線電通信領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。協(xié)調(diào)世界時(shí)是以原子時(shí)秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在“時(shí)刻”上接近于世界時(shí)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，如北京時(shí)間，在時(shí)區(qū)劃分上，屬東八區(qū)，比協(xié)調(diào)世界時(shí)早8小時(shí)，記為UTC+8。

真太陽(yáng)時(shí)和平太陽(yáng)時(shí)

恒星時(shí)與太陽(yáng)時(shí)的圖解

恒星時(shí)是以地球真正的自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，即從某一顆恒星升起開(kāi)始到這一顆恒星再次升起。實(shí)際上，恒星時(shí)是由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所決定的時(shí)間，春分點(diǎn)連續(xù)兩次過(guò)中天的時(shí)間間隔稱(chēng)為一個(gè)“恒星日”。恒星時(shí)的起點(diǎn)為春分點(diǎn)上中天的時(shí)刻，恒星時(shí)就是春分點(diǎn)的時(shí)角，它的數(shù)值S正好等于該瞬時(shí)上中天恒星的赤徑。恒星時(shí)以角度量表示，在原有的時(shí)間單位基礎(chǔ)上乘以15，即1秒對(duì)應(yīng)15角秒。1分鐘對(duì)應(yīng)15角分，1小時(shí)對(duì)應(yīng)15°。

地球自轉(zhuǎn)是不均勻的，對(duì)恒星時(shí)有一定影響。以太陽(yáng)為例，太陽(yáng)時(shí)是指以太陽(yáng)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算的時(shí)間，考慮到這種影響的為真太陽(yáng)時(shí)，否則為平太陽(yáng)時(shí)。日常生活用的時(shí)間為平太陽(yáng)時(shí)，平太陽(yáng)時(shí)假設(shè)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，一年中每天都是均勻的，鐘表所表示的時(shí)間就是平太陽(yáng)時(shí)。而如果考慮地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道是橢圓的，則地球相對(duì)于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)并不是均勻的，每天并不都是24小時(shí)，有時(shí)候少有時(shí)候多，考慮該因素得到的時(shí)間就是真太陽(yáng)時(shí)，日晷所表示的時(shí)間就是真太陽(yáng)時(shí)。

怎樣確定“時(shí)間段”的相等問(wèn)題？

啟蒙時(shí)代最具影響力的思想家洛克（左圖）和著名數(shù)學(xué)家歐拉（右圖）

哲學(xué)家洛克曾指出，我們沒(méi)有辦法確認(rèn)周期運(yùn)動(dòng)的每個(gè)周期是等長(zhǎng)的，我們只能假設(shè)它們等長(zhǎng)。很多科學(xué)家同意這個(gè)觀點(diǎn)，他們認(rèn)為宇宙的時(shí)間進(jìn)程整體地變快變慢，并不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

為了確定“時(shí)間段”相等問(wèn)題，18世紀(jì)的數(shù)學(xué)家歐拉提出一種“好鐘”的概念，這種“好鐘”的概念一直沿用到今天?！昂苗姟倍x為：用它標(biāo)度的時(shí)間，應(yīng)該保證牛頓定律成立、麥克斯韋電磁定律出來(lái)、能量守恒定律成立……，還應(yīng)該保證物理定律形式簡(jiǎn)單。

最近，學(xué)術(shù)界對(duì)這一問(wèn)題又有了新的思路：用約定光速來(lái)定義“時(shí)間段”的相等，但有關(guān)研究還正在進(jìn)行當(dāng)中。

為什么說(shuō)時(shí)間是彎曲的呢？

在太陽(yáng)、中子星和黑洞附件的時(shí)間彎曲（左）和《星際穿越》主人公庫(kù)珀見(jiàn)到女兒墨菲情景（右）

這個(gè)問(wèn)題是愛(ài)因斯坦一直想回答的問(wèn)題，終于在1912年，他意識(shí)到時(shí)間一定是被類(lèi)似于地球或黑洞這些質(zhì)量很重的物體彎曲了，導(dǎo)致時(shí)間彎曲的原因是引力，在太陽(yáng)附近，時(shí)間流逝每天慢幾分鐘，而在中子星附近，時(shí)間流逝的速度每天則慢幾個(gè)小時(shí)；黑洞附近因?yàn)橐o(wú)限大，所以在黑洞表面，時(shí)間流逝已經(jīng)停止。愛(ài)因斯坦將這個(gè)發(fā)現(xiàn)用數(shù)學(xué)公式表示，并以定性的方式描述：任何事物都傾于去往時(shí)間流逝最慢的地方，是引力將其拉向那個(gè)地方。

黑洞周?chē)鷷r(shí)間變慢的效應(yīng)在電影《星際穿越》中有所展示。主人公庫(kù)珀對(duì)再次見(jiàn)到女兒墨菲已經(jīng)絕望，因?yàn)樗俗w船飛到黑洞卡岡圖雅附件時(shí)，時(shí)間變慢效應(yīng)使得他老了幾個(gè)小時(shí)，然而地球上已經(jīng)過(guò)去了80年。

同樣，按照愛(ài)因斯坦這個(gè)定律可以得出，時(shí)間流逝的越慢，引力就越大。有人在哈佛大學(xué)做了一個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，一個(gè)居住在地下室的人與居住在同塔樓22層的人比較，時(shí)間流失慢1.6萬(wàn)億分之一，這是因?yàn)樵浇咏匦模υ酱笏斐傻脑颉?/p>

時(shí)間彎曲對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星精度的影響

對(duì)時(shí)間同步要求非常高的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

眾所周知，手機(jī)可以通過(guò)北斗衛(wèi)星確定我們所在的位置，精度可以達(dá)到10米。手機(jī)的定位精度依賴于衛(wèi)星所發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)。一般情況，在地球上的任意位置，手機(jī)一次可以收到4顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)。每顆衛(wèi)星發(fā)給手機(jī)的無(wú)線電信號(hào)里包括：衛(wèi)星的位置和信號(hào)發(fā)出的時(shí)間。我們手機(jī)在利用信號(hào)到達(dá)的時(shí)間計(jì)算出衛(wèi)星和手機(jī)的距離。收到多顆衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)并計(jì)算出距離后，手機(jī)就可以利用幾何數(shù)學(xué)關(guān)系確定我們所在的位置。

如果衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)出時(shí)間是衛(wèi)星的真實(shí)測(cè)量到的時(shí)間，那么這個(gè)方法就會(huì)失效。因?yàn)閬?lái)自太空20000千米，時(shí)間流逝得比地面上每天快40微秒，所以衛(wèi)星必須要對(duì)此做出修正。衛(wèi)星只能用自帶的原子鐘測(cè)量時(shí)間，它比地面時(shí)鐘走得慢一些，調(diào)整到地球表面的時(shí)間流逝速率一致，并將這個(gè)時(shí)間信號(hào)發(fā)到我們手機(jī)上。

下期預(yù)告：人們對(duì)太空的好奇，希望能夠看得越來(lái)越遠(yuǎn)。望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為人類(lèi)開(kāi)啟了宇宙更遠(yuǎn)更美的一扇窗。下期題目為“望遠(yuǎn)鏡的故事”，主要介紹望遠(yuǎn)鏡發(fā)展歷程及所涉及到的文化，包括“伽利略”望遠(yuǎn)鏡、“牛頓”反射鏡、“山頂”望遠(yuǎn)鏡，以及“韋伯”望遠(yuǎn)鏡等等。