時間及其單位秒

施昌彥

    時間是什麽？曆史上曾經爭論（lùn）不休。哲學家康德認為時間和空間不是客觀存在的，而是（shì）人的先天的直觀形式。馬赫則把（bǎ）它看作是“感覺（jiào）係列調整了的體係”，是（shì）用（yòng）來整理（lǐ）認識材料的工具。物理學家牛頓認為時間是均勻流逝著（zhe）的，它與空間和空間（jiān）盛（shèng）著什麽物質毫無關係，即在一個係（xì）統中同（tóng）時發生的兩個事件，不論在什（shí）麽係統中（zhōng）觀察都（dōu）是同（tóng）時的。
    這（zhè）種同時性的絕對觀念或（huò）“絕對時間”，與（yǔ）愛（ài）因斯（sī）坦相對論的觀（guān）念是截然相反的。根據狹（xiá）義相對論原（yuán）理，在度量時間進（jìn）程時，會看到運動的時鍾要（yào）比靜止的時鍾行進得慢。根據廣（guǎng）義相對論原（yuán）理，在較強的引力場中時鍾也行進得較慢，即引力場中光（guāng）譜線向紅端移動。現代物（wù）理學的（de）發展（zhǎn），特別是相對論的（de）提出及其後來得到證實，都證明了辨證唯物主義關於時間、空間與運動著的物質具有不可分割聯係的原理，無疑是正確的。
    從計量（liàng）學的角度來看，時間這個概念至少（shǎo）具有時間間隔和時刻兩種含義。前者是連續流逝的時間中兩（liǎng）個瞬時（shí）之間的間隔，即有起點和終點的一段時間，可用時間坐標軸上的線段表示（shì）；後者則是這（zhè）個線段上某一個點所表示（shì）的瞬間。前者表示事（shì）件持續的久（jiǔ）暫，後者表示事件發生（shēng）的遲早。
    欲表示事件發生的時刻，首先要選（xuǎn）取一個時刻作為起算的原點，然後以一個標（biāo）準的時間間隔作單位，在時間坐標上計算事（shì）件發生的瞬間到原點之間的時間間隔。這個時間坐（zuò）標就稱為“時標”(time scale)。根據起算原點和（hé）時間（jiān）單位的不同，可以建立不同的時標（biāo），例如世（shì）界時（shí）、曆史時、國際原（yuán）子時、協調世界時等。
    而能連續不斷地（dì）維持時標值或保持時標，給出（chū）時刻（kè）和時間間隔的工作就稱（chēng）為“守時”(time conservation)。守（shǒu）時（shí）的基本手段是鍾——指示時刻和計算時間間隔的計量器具，各種時標（biāo）都是通過守時鍾的讀數（shù）體現出來的。守時還需要科學的（de）時標計算方法和準確的（de）時間比對手段。
    我國遠在公元（yuán）前五百多年前，就利用“日晷”來（lái）觀測地球繞太陽運行的周期。以後又創造了沙漏、水漏、滴漏等守時工具。在中國曆史（shǐ）博物館至今還珍藏著元朝後期(1361年)創製的（de）“銅（tóng）壺滴漏”。
    在國際單位製(SI)中，表示時間（jiān）這個基本物（wù）理量的單位是秒(s)，它（tā）經曆（lì）了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是（shì）根據天體運行周期，即宏觀運動規律得到的。原子秒是根據原子振蕩周期，即微觀運動規律或微觀量（liàng）子效應得到（dào）的。
    在（zài）天文秒中，世界時(UT)的秒（miǎo）是以地球自轉運動周期（qī）為（wéi）基礎確定的，而曆書時(ET)則以地球繞（rào）太陽的公轉運動周期（qī）為基礎。地球自轉一周（zhōu）的時間稱為“真太陽日”，但地球同時還繞太陽公轉，且公轉軌道又不是圓形而是橢圓的，所以這個真太陽（yáng）日很不均勻，最長的一（yī）天與最短的一（yī）天相差約51秒。
    於是，人們把一年中真太陽日的平均值定為平太陽（yáng）日，進而把它的1/86400定（dìng）為“平太（tài）陽秒”。這就（jiù）是最初的（de）秒的定（dìng）義，一（yī）直沿用到1960年第11屆國際計量大會(CGPM)決（jué）定以曆書時(ET)的（de）秒取而代之。實際上，地球自轉速度有長（zhǎng）期減慢趨勢並時（shí）有不（bú）規則變（biàn）化，平太陽秒的測量不確定度隻有10-8。而（ér）地球的（de）公轉運動卻比自轉運動穩定得多，所以曆書時要比世界時均勻。
    但是，天文觀測畢竟繁瑣（suǒ）費時（shí），人們對宏觀天體運動的規律也難以全麵掌握，而對時（shí）間準確計量的需求卻愈來（lái）愈高。於是，利用微觀量子效應來確定時間的呼（hū）聲高漲、進展迅速（sù），致使曆書時隻（zhī）用了7年，在1967年第13屆國際計（jì）量大會上，正式決定以原子秒取代天文秒:“秒是銫-133原子基（jī）態（tài）的兩 個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的（de）持續時間（jiān）”。
    在秒的新定（dìng）義中之所以采用這麽（me）多個周期，即把銫-133原子的振蕩周期積累這麽多次（cì），其目（mù）的是使原子秒與原來的天文秒盡量一致起來。眾所周（zhōu）知，原子的能級是非常穩定的，躍遷時輻射信號的周期自然也非（fēi）常穩定，因（yīn）此它（tā）比天文秒的穩定性要高10萬至100萬倍以上。而（ér）且測量方便，準（zhǔn）確度高(10-13～10-14)，容易複現，因此原（yuán）子秒的這（zhè）個定義一直沿用至今。
    由上可見，不管是天文秒還是原子秒，說到（dào）底都是根據（jù）時間不停流逝的特點，從周期性運動現象中（zhōng）截取周期的若幹分之一（yī）(天（tiān）文秒)或周期若幹（gàn）倍(原子秒)的方式來獲取的，並且大致上以地球自（zì）轉一周24小時為（wéi）依據。計量學家（jiā）們（men）所追求（qiú）的，隻不過是（shì）選擇一種盡量穩定準確的、易（yì）於複現和觀測的周期運動而己。
    世界時以公元的（de）起點作為（wéi）時標原點（diǎn），盡管不夠均（jun1）勻穩定，但它準確反映了地球自（zì）轉的角位移（yí），因（yīn）而在大地測量、天文觀察和人類生活方麵仍有重要應用。以（yǐ）原子（zǐ）秒積累起來的原子時(TA)則廣泛應用於計量、衛星和無線電通訊等領域，盡管均勻（yún）穩定，卻沒有天然的時標原點。於（yú）是，1971年第14屆國際計量大會決（jué）定采用國際原子時(TAI)，其（qí）起點是1958年1月1日0點，即在此（cǐ）刻它與世界時對準看齊。
    但（dàn）是（shì）原子秒比（bǐ）平太陽秒略短，兩者對齊後隨（suí）著時間的推移，原子時（shí）鍾的讀數會（huì）比世界（jiè）時鍾讀數逐（zhú）漸（jiàn）偏（piān）大。比方，從起點1958年到1995年末的38年間（jiān），原子時鍾比世界時鍾慢了近30秒。
    為此，從兼顧不同方麵的需要出發，國際（jì）上在1972年（nián）規定世界時與原（yuán）子時應保持一致，調整量為1秒。1975年又改為（wéi）0.9秒:當差（chà）值快（kuài）接近（jìn）0.9秒時（shí），加或（huò）減一秒。這就是“閏秒”，它與公曆設閏年，農（nóng）曆設閏月的道理（lǐ）是相似的。
    比方在格林尼治時間的0時區和西半（bàn）球，1995年12月31日（rì）這一天不是平（píng）日（rì）的86400秒，而是86401秒，新年鍾聲推後了一秒鍾。再上一次（cì）發生在1994年（nián）6月30日末。這增（zēng）加的一秒鍾即是閏秒，這種時間係統就（jiù）是協（xié）調（diào）世界時(UTC)。自1972年實行（háng）協調世界時以來，已加設20個閏秒，均（jun1）發生在年末或半年（nián）末。
    所以，時間與空（kōng）間一樣，人們是可以準（zhǔn）確度量或計量的。我國的時間計量基準（zhǔn）由中國計（jì）量科學研究院