華興恒

(安徽省靈璧縣黃灣中學(xué),安徽靈璧 234213)

“嘀,嘀——,嘀,剛才最后一響,北京時(shí)間12點(diǎn)正.”大多數(shù)人對(duì)這種聲音都非常熟悉,并且通過它不止一次地矯正自己攜帶的手表、手機(jī)等計(jì)時(shí)工具.那么北京時(shí)間是北京的時(shí)間嗎?它是怎樣確定的?又是從什么地方發(fā)出的?為了使大家弄清楚這些問題,下面予以簡(jiǎn)單的介紹.

1 時(shí)間基準(zhǔn)的演變

時(shí)間表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性,時(shí)間的計(jì)量主要是一個(gè)計(jì)數(shù)的過程.凡已知其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理過程,都可以用來(lái)作時(shí)間的計(jì)量,通常采用能夠重復(fù)的周期現(xiàn)象來(lái)計(jì)量時(shí)間.那么選用什么樣的時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)計(jì)量呢?長(zhǎng)期以來(lái),人們一直在尋求著這樣的時(shí)間尺度.

在遠(yuǎn)古時(shí)期,日出而作,日沒而息,人類是以太陽(yáng)東升西落作為時(shí)間的尺度;公元前二世紀(jì),人們發(fā)明了地平日晷,一天差15 min;1 000多年前的希臘和我國(guó)的北宋時(shí)期,能工巧匠曾設(shè)計(jì)出水鐘,精確到每日誤差為10 min;600多年前機(jī)械鐘問世,并把晝夜分為24 h;到了17世紀(jì),單擺用于機(jī)械鐘,使計(jì)時(shí)精度提高近100倍;到了20世紀(jì)的 30年代,石英晶體振蕩器出現(xiàn),對(duì)于精密的石英鐘,300年只差1 s.

從17世紀(jì)以來(lái),天文學(xué)家們以地球自轉(zhuǎn)和世界時(shí)作為時(shí)間尺度:當(dāng)?shù)厍蚶@軸自轉(zhuǎn)1周,地球上任何地點(diǎn)的人連續(xù)兩次看見太陽(yáng)在天空同一位置的時(shí)間間隔為一個(gè)太陽(yáng)平均日.1820年法國(guó)科學(xué)院正式提出,把一個(gè)太陽(yáng)平均日分為24等分,每一等分的時(shí)間長(zhǎng)度稱為一個(gè)世界時(shí),一個(gè)世界時(shí)的或一個(gè)平均太陽(yáng)日的稱為世界時(shí)的1 s.

太陽(yáng)系的各種運(yùn)動(dòng)中,能夠準(zhǔn)確觀察以用作時(shí)鐘的有:地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),月球繞地球的公轉(zhuǎn),木星和金星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn),木星的四個(gè)衛(wèi)星繞木星的公轉(zhuǎn)等.研究發(fā)現(xiàn),根據(jù)上述九種運(yùn)動(dòng)所作的時(shí)鐘有八種是互相一致的,不一致的只是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)所作的時(shí)鐘.主要原因是地球自轉(zhuǎn)的速率在改變,趨勢(shì)為漸漸變慢.引起地球自轉(zhuǎn)變慢的原因是多方面的,如潮汐摩擦、季節(jié)性變化、兩極冰山的融化,地球上其它很大的質(zhì)量遷移等.這一切都說(shuō)明,地球的自轉(zhuǎn)不是一個(gè)理想的時(shí)間尺度.

隨著人們對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的深入發(fā)展,以及對(duì)微波技術(shù)的進(jìn)一步掌握,這就有可能利用某些分子或原子的固有振動(dòng)頻率作為時(shí)間的計(jì)量基準(zhǔn).1953年是時(shí)頻科學(xué)的一個(gè)新的里程碑.世界上第一臺(tái)原子鐘在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)由三位科學(xué)家研制成功,其中有一位科學(xué)家是中國(guó)人,他就是王天眷先生.后來(lái)王先生回到祖國(guó),多年來(lái)一直從事我國(guó)的頻標(biāo)事業(yè).近年來(lái)已制成了大量的原子鐘,它們的精度分別達(dá)到10-9s和 10-10s以上.1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用銫原子鐘作為新的時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn),定義1 s的長(zhǎng)度等于與銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射周期的9192631770倍.這個(gè)躍遷頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度達(dá)到10-12～10-13s.

社會(huì)在進(jìn)步,科技在發(fā)展,人類對(duì)新的時(shí)間基準(zhǔn)的研究仍在繼續(xù),不久的將來(lái),噴泉鐘或光頻標(biāo)完全有可能取代目前的微波頻標(biāo),成為新一代的時(shí)間頻率基準(zhǔn).

2 北京時(shí)間的確定

通過上面的分析可知,銫原子鐘的研制成功,大大地提高了時(shí)間計(jì)量的精度,但它對(duì)世界時(shí)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).如1987年12月31日這天不是正常的 86 400 s,而是86 401 s,怎么多出了1 s呢?原來(lái)這是地球的自轉(zhuǎn)逐漸變慢,使得原子時(shí)的時(shí)刻每年要比世界時(shí)的時(shí)刻大約超前0.8 s.從1958年到現(xiàn)在已超前24 s多,怎樣解決這一問題呢?科學(xué)家們定義了一個(gè)新的計(jì)時(shí)系統(tǒng),稱為“世界協(xié)調(diào)時(shí)”,簡(jiǎn)稱協(xié)調(diào)時(shí).協(xié)調(diào)時(shí)采用原子時(shí)的秒長(zhǎng)作為基本計(jì)量單位,用這種方法計(jì)量的時(shí)值仍保持原子時(shí)高度精確的特點(diǎn);同時(shí)又盡量采用世界時(shí)的時(shí)刻.通過設(shè)置“閏秒”的方法解決這一問題.即在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻加上1 s(正閏秒)或減去1 s(負(fù)閏秒),使協(xié)調(diào)時(shí)的時(shí)刻始終等齊世界時(shí)時(shí)刻.讓協(xié)調(diào)時(shí)時(shí)刻與世界時(shí)時(shí)刻之差不超過±0.9 s.

每當(dāng)太陽(yáng)當(dāng)頭照的時(shí)候就是中午12點(diǎn),但不同地方看到太陽(yáng)當(dāng)頭照的時(shí)間是不一樣的.例如,上海已是中午12點(diǎn)時(shí),俄羅斯的莫斯科要5個(gè)小時(shí)后才能看到太陽(yáng)當(dāng)頭照;而澳大利亞的悉尼早已是下午的2點(diǎn)鐘.所以如果各地方都使用當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間標(biāo)準(zhǔn),將會(huì)給人們的生活等帶來(lái)很多不便.為了克服這個(gè)問題,天文學(xué)家將地球經(jīng)度線每隔15度劃分成一個(gè)區(qū)域,這樣一共有24個(gè)區(qū)域,并且規(guī)定相鄰區(qū)域的時(shí)間相差1小時(shí).在每個(gè)區(qū)域內(nèi)都采用統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),稱為“時(shí)區(qū)”.實(shí)際上由于一個(gè)國(guó)家或一個(gè)省份同時(shí)跨過2個(gè)時(shí)區(qū)或更多時(shí)區(qū),為了照顧到行政區(qū)管理上的方便,常把一個(gè)國(guó)家或一個(gè)省份劃在一起.所以時(shí)區(qū)并非嚴(yán)格按南北經(jīng)線來(lái)劃分.例如我國(guó)幅員遼闊,從新疆的喀什渴爾河上游到黑龍江的烏蘇里江,差不多橫跨五個(gè)時(shí)區(qū),但實(shí)際上只用東八區(qū)的時(shí)間即北京時(shí)間為準(zhǔn).可見“北京時(shí)間”并不是北京地方的時(shí)間,而是東八區(qū)即東經(jīng)120度的地方,也就是距北京以東約340 km處的地方時(shí)間.北京地方的時(shí)間要比“北京時(shí)間”晚16分鐘左右.北京時(shí)間是我國(guó)行政管理、生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)裙ぷ鞯臅r(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn).如果沒有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),將會(huì)使整個(gè)社會(huì)的工作、生產(chǎn)秩序處于一片混亂,其后果可想而知.

解放前我國(guó)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)極其混亂.由于幅員寬廣,舊社會(huì)分別采用了5個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),即中原時(shí)區(qū)、隴蜀時(shí)區(qū)、新疆時(shí)區(qū)、長(zhǎng)白時(shí)區(qū)、昆侖時(shí)區(qū).由于時(shí)區(qū)不同,所在地的時(shí)間也不一樣,這對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是商貿(mào)經(jīng)濟(jì)等方面帶來(lái)了極大的不便.解放后,經(jīng)周恩來(lái)總理提議,經(jīng)全國(guó)人大批準(zhǔn),我國(guó)采用距離首都北京較近的東經(jīng)120度地方的時(shí)間即東八區(qū)的時(shí)間作為全國(guó)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)稱“北京時(shí)間”.

3 北京時(shí)間源自何方

“北京時(shí)間”并不是北京地方的時(shí)間,那么“北京時(shí)間”又是從哪里發(fā)出的呢?是北京嗎?當(dāng)然不是.“北京時(shí)間”是從我國(guó)的時(shí)間城即“國(guó)家授時(shí)中心”發(fā)出的.

我國(guó)的時(shí)間城位與陜西省中部某縣的西部.20年前時(shí)間城屬于絕密單位,當(dāng)時(shí)駐有一個(gè)營(yíng)的兵力.直到1989年10月,守兵才撤營(yíng)建連,原來(lái)的多崗值班也改為兩崗值班,只在時(shí)間城大門口和原子鐘房各設(shè)了一道崗.

1967年第13屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)決定,把在海平面上實(shí)現(xiàn)的銫原子時(shí)秒規(guī)定為國(guó)際單位制時(shí)間單位.原子時(shí)起點(diǎn)定在1958年1月1日10時(shí),即規(guī)定在這一瞬間,原子時(shí)和世界時(shí)重合,這就需要各國(guó)建立自己的原子鐘提供發(fā)播時(shí)間,即“授時(shí)”.

當(dāng)時(shí)美國(guó)、前蘇聯(lián)等世界發(fā)達(dá)的國(guó)家已建立了自己完整的授時(shí)中心,我國(guó)只是在上海有一個(gè)功率極小的由法國(guó)天主教士在20世紀(jì)20年代建立的無(wú)線電授時(shí)臺(tái),不僅發(fā)射的時(shí)間信號(hào)精度不高,而且覆蓋面積也很小.有時(shí),我國(guó)只好頗為尷尬地接收前蘇聯(lián)發(fā)播的時(shí)間,這對(duì)發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)極為不利,尤其是對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)防建設(shè).

1966年,我國(guó)科學(xué)院經(jīng)過近一年的勘測(cè),報(bào)請(qǐng)周總理親筆批示:同意在陜西省中部建立“國(guó)家授時(shí)中心”.授時(shí)中心選在陜中而不是建在北京主要有以下幾個(gè)原因:一是陜中地處大陸腹地,離我國(guó)大地原點(diǎn)僅50 km,發(fā)射的時(shí)間信號(hào)容易覆蓋全國(guó);二是當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定,授時(shí)中心因地震等災(zāi)難被毀壞的系數(shù)小;三是當(dāng)時(shí)適逢“文化大革命”,國(guó)際局勢(shì)也動(dòng)蕩不安,建立在內(nèi)陸閉塞的地方比較安全.1968年10月,國(guó)家授時(shí)中心建成.

國(guó)家授時(shí)中心有6臺(tái)小銫鐘(5071銫鐘組),組成我國(guó)地方原子時(shí)尺度,其穩(wěn)定程度為10-14s.授時(shí)中心通過短波授時(shí)臺(tái)和長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)等授時(shí)系統(tǒng),每時(shí)每刻發(fā)播著“北京時(shí)間”.利用電視或收音機(jī)傳送北京時(shí)間一般采用兩種方法:一是“有源傳送”,在演播室放一個(gè)原子鐘,與授時(shí)中心同步,直接把原子時(shí)信號(hào)發(fā)送出去,中央電視臺(tái)就是利用這種方式來(lái)傳送時(shí)間的.另一種是“無(wú)源傳送”,演播室不放原子鐘,在不干擾正常節(jié)目廣播的情況下,利用電視或收音機(jī)中某個(gè)脈沖作為對(duì)比時(shí)間的參考標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)時(shí)發(fā)送時(shí)間,像中央人民廣播電臺(tái)就是利用這種無(wú)源傳送的方式來(lái)發(fā)送時(shí)間的.二種方式提供的時(shí)間與時(shí)間城內(nèi)的原子鐘都是同步的,30萬(wàn)年誤差不到1 s.

4 時(shí)間應(yīng)用的廣闊前景

時(shí)間和長(zhǎng)度、質(zhì)量一樣是三個(gè)基本物理量,時(shí)間計(jì)量對(duì)生活、生產(chǎn)、科學(xué)研究等人類一切活動(dòng)都有著最基本的意義.我們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)時(shí)間的精度要求并不高,不會(huì)把“發(fā)車”時(shí)間精確到幾分幾秒,但對(duì)衛(wèi)星或宇宙飛船的發(fā)射和測(cè)控就不同,它需要與時(shí)間城同步的時(shí)間,而且精確程度要求也非常高.要用精密時(shí)間作為基本物理量,精密時(shí)間以其完美的線性和連續(xù)性顯示出繽紛的客觀世界的理性,成為人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的科學(xué)武器.精密時(shí)間不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重要作用,而且在應(yīng)用研究、國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中也有普遍的應(yīng)用.如航空航天、航空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、信息高速公路、地質(zhì)測(cè)繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸和科學(xué)計(jì)量等方面.宇宙飛船的位置是靠地面各個(gè)監(jiān)測(cè)站通過測(cè)量發(fā)向飛船的無(wú)線電波信號(hào)返回地面的時(shí)間計(jì)算的,如果監(jiān)測(cè)站的時(shí)鐘之間哪怕相差只有幾億分之一秒,就可能造成飛船偏離正確的軌道,無(wú)法返回預(yù)定的地點(diǎn).因此各個(gè)監(jiān)測(cè)站的時(shí)鐘都要和時(shí)間城的原子鐘同步.

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展,對(duì)高精度時(shí)間提出了更高的要求,特別是現(xiàn)代數(shù)字通信網(wǎng)的發(fā)展、信息高速公路建設(shè),各種政治、文化、科技和社會(huì)信息的協(xié)調(diào)都是建立在嚴(yán)格的時(shí)間基礎(chǔ)上的.所以時(shí)間的應(yīng)用有著無(wú)比廣闊的前景,其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科技生活中的地位也越來(lái)越重要.