時間是什麼？----中國科學院國家授時中心

時間是什麼？文章來源： 發布時間：2010-07-16 字體大小：【大中小】「現在是什麼時間？」或者「現在離新年還有多長時間？」這恐怕連小學生也覺得是再簡單不過的問題了。可如果把詞序顛倒一下再問：「時間是什麼？」恐怕絕大多數人都會頓覺茫然。事實的確如此。「時間」對我們是再重要、再平常、使用再多不過的概念了：「要抓緊時間」、「浪費時間就等於浪費生命」、「時間就是金錢」…人們把時間看作是不依賴於任何其它事物而獨立存在的、無休止地均勻流逝的客體；在中學生數學、物理課本中，時間被表述成一條有起點、有單位、有指向、無始無終的直線，這就是符合人們常識的牛頓「絕對時間」，也是直到本世紀初被普遍接受的科學的時間概念。真理是相對的，它總是隨著科學的進步而發展，人類進入二十世紀後，物理學、天文學的新成果、新發現向「絕對時間」的基本觀念提出了挑戰。愛因斯坦狹義相對論指出，時間不能脫離宇宙及其事件的觀察者而獨立存在，時間是宇宙與其觀察者之間的聯繫的一個方面。處於相對勻速運動的不同觀察者，一般對同一事件總會測出不同的時間。例如，相對觀察者作勻速運動的鐘總是比相對於觀察者靜止的鐘走得慢，鐘的相對速度越大，越接近光速，效應越明顯。另外，愛因斯坦廣義相對論的一個直接推論是，由於引力場的原因處於地球表面不同高度的時鐘走速不一樣，海拔越高鐘速越快，差值約為1.09×10-16秒/米（海拔），即每升高100米，時鐘變快百萬億分之一秒。愛因斯坦相對論做出的這些預言已經被實驗所驗證。另外，如果承認根據愛因斯坦相對論和本世紀重大天文發現（河外星系譜線紅移、微波背景輻射、不同星繫上近似的氦丰度）提出的「大爆炸」宇宙模型，那就要接受我們這個宇宙必然有「開端」（至少在100億年前吧），並且還可能有終結（至少在幾百億年以後），多麼驚世駭俗的結論！還好，由愛因斯坦廣義相對論和量子力學得出的現代宇宙論的最新研究成果是：我們這個觀測所及的宇宙（範圍約150億光年）是有限無界的，即在空間─時間尺度上有限但無邊界（或邊緣），無始無終，無生無滅！當然，這只是一種比較新的宇宙模型，由此做出的科學預言還要接受實際觀測的驗證。總而言之「時間是什麼？」的問題實質上是探索時間的本質，這只是極少數科學家、哲學家熱心研究的課題，而且遠沒有得出一個令人滿意的結果，看來還需要長期探索下去。好在對於時間的實際應用，按常規理解就夠了，在個別領域，有時需要給時間加上相對論改正。時間的計量大家都知道，長度、質量、時間是三大基本物理量，時間計量對生活、生產、科學研究等人類一切活動都具有最基本的意義。時間計量包含既有差別又有聯繫的兩個內容：時間間隔和時刻的測定。時間間隔是指客觀物質運動的兩個不同狀態之間所經歷的時間歷程；時刻是指客觀物質在某一種運動狀態的瞬間與時間坐標軸原點之間的時間間隔。一般通過某種選定的物質運動過程作參考，把其它物質的運動過程與這個參考過程進行比較，判別和排列事件發生的先後順序並據此導出事件發生的時刻和運動過程所經歷的時間間隔。客觀世界的物質運動千差萬別，不可能選取一種物質運動過程作為計量時間的標準，如天體的年齡可達100多億年，而某些基本粒子的壽命卻只有10-24秒。不同的時間計量方法分屬不同的學科分支或不同的技術門類。測量天體的年齡使用天體物理的方法；日、月、年、世紀的協調和研究屬於天文學中的曆法範疇；秒以下時間的測定、保持、傳遞則是授時機構的任務。日·月·年人類最早認識的第一個時間單位不是年，也不是月，而是日。遠古時代，沒有任何東西能象黎明降於大地的光明和溫暖，以及日落帶來的黑暗與寒冷更影響人類的生存。太陽東升西落，周而復始，循環出現。這一次日出到下一次日出，或這一次日落到下一次日落，這樣天然、強烈的變化周期，使人們逐漸產生了日的概念。月亮是夜空中最顯著的天體，它的圓缺變化是人類最早認識的天象之一。農曆初一、三十，完全看不到月亮，這就是「朔」。十五前後月亮最圓，稱為「望」。人們利用已經認識的「日」這個時間單位，注意到朔望變化具有相當準確的周期，由此逐漸產生朔望月的概念。年作為時間單位的觀念產生的最晚，一是年的周期長，二是沒有日出日落和月面圓缺那樣明顯的天象與之對應。但可以推測它一定是根據因季節變化而產生的自然現象：河水泛濫、草木苦榮、鳥獸遷徙、寒暑交替等等而逐步認識的。今天我們知道，「日」是以地球自轉運動為基礎的時間單位，按照嚴格的科學定義有不同的「日」，平常用到的是所謂的平太陽日，一平太陽日等於平太陽在天球上由東向西連續兩次通過同一子午圈所需要的時間。「月」是以月球繞地球公轉運動為基礎的時間單位，也有各種不同的月。朔望月是月相變化的周期，根據月球相對太陽的位置來確定。1朔望月等於29.53059平太陽日。「年」 是以地球繞太陽公轉運動為基礎的時間單位，也有各種各樣的「年」的定義，以適應不同的需要。回歸年是太陽在天球上連續兩次通過春分點所需要的時間，1回歸年等於365.24220平太陽日。由以上看出，日、月、年三個時間單位由三種互不相干的天體運動周期確定，它們的長度沒有簡單的倍數關係，如何調整它們，那就是曆法工作的主要任務了。小時和時辰在現代社會中，時、分、秒是調節人們日常活動的重要工具，它們都是從自然時間單位─「日」，經過人為劃分得到的。我們今天使用的小時是古埃及人創造的。他們最初把白天劃分為十小時，日出前和日落後的晨昏朦影各計一小時；夜間計為十二小時，總共二十四小時。白天的小時按太陽在天空中的位置劃分，夜間的小時各用一個星辰的出沒來表示。小時的長度晝夜不等，且隨季節的改變而變化。儘管這種時制很粗糙，應用起來不方便，但它卻是我們今天所用二十四小時時制的雛形。我國古代很早以前就把一天分為十時，後來又有百刻制和十二時辰之分。所謂百刻制，就是將一天劃分為一百個等分。而十二時辰則是把一天分為子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二個小的時段。十二時辰與今天的二十四時制的對應關係是：子時相當於午夜23時至1時；丑時相當於凌晨1時至3時；寅時相當於凌晨3時至5時，其餘依次類推。為了把時間定的更準確，又把每一時辰分為初、正兩部分，例如子初為23時到0時；子正為0時到1時。一天包含十二時辰，又是一百刻，兩者之間是除不盡的關係。為了把時辰和刻協調起來，西漢末年曾把一天改為一百二十刻。以後又改為九十六刻和一百零八刻。改來改去，到清朝初期又改為九十六刻。在我國古典小說或戲劇作品中常有「午時三刻，開刀問斬」的話，這午時三刻，大約就相當於今天的北京時間十二時整。世界時地球自轉運動是個相當不錯的天然時鐘，以它為基礎可以建立一個很好的時間計量系統。地球自轉的角度可用地方子午線相對於天球上的基本參考點的運動來度量。為了測定地球自轉，人們在天球上選取了兩個基本參考點：春分點和平太陽，以此確定的時間分別稱為恆星時和平太陽時。恆星時雖然與地球自轉的角度相對應，符合以地球自轉運動為基礎的時間計量標準的要求，但不能滿足日常生活和應用的需要。人們習慣上是以太陽在天球上的位置來確定時間的，但因為地球繞太陽公轉運動的軌道是橢圓，所以真太陽周日視運動的速度是不均勻的（即真太陽時是不均勻的）。為了得到以真太陽周日視運動為基礎而又克服其不均勻性的時間計量系統，人們引進了一個假想的參考點─平太陽。它在天赤道上作勻速運動，其速度與真太陽的平均速度相一致。平太陽時的基本單位是平太陽日，1平太陽日等於24平太陽小時，86400平太陽秒。以平子夜作為0時開始的格林威治平太陽時，就稱為世界時，簡稱UT。世界時與恆星時有嚴格的轉換關係，人們是通過觀測恆星得到世界時的。後來發現，由於地極移動和地球自轉的不均勻性，最初得到的世界時，記為UT0，也是不均勻的，人們對UT0 加上極移改正得到UT1，如果再加上地球自轉速率季節性變化的經驗改正就得到UT2。六十年代以前，世界時作為基本時間計量系統被廣泛應用，。因為它與地球自轉的角度有關，所以即使出現了更為均勻的原子時系統，世界時對於日常生活、大地測量、天文導航及其它有關地球的科學仍是必需的。時區的劃分以觀測者所在地的子午線為基準測出的平太陽時，稱為地方平太陽時。同一瞬間，位於地球不同經度的觀測者測出的地方平太陽時是不同的，因此需要一個統一標準。十九世紀中葉，歐美一些國家開始採用一種全國統一的時間。這種時間多以本國首都或重要商埠的子午線為標準，例如英國採用格林威治時間，法國採用巴黎時間，美國採用華盛頓時間。這種時間在一國之內使用尚無不便，但是，隨著鐵路長途運輸和遠洋航海事業的發展，人們的國際交往越來越頻繁，各國仍舊採用各自未經協調的地方時，給人們帶來很多困難。於是在上個世紀七十年代，有人提出在全世界按統一標準劃分時區，實行分區計時。這個建議先在美國和加拿大實行，後被多數國家所採用。1884年華盛頓國際子午線會議決定，將這種按全世界統一的時區系統計量的時間稱為區時，又稱標準時。世界時區的分法是：每時區橫跨經度15o，全世界劃分為24個時區。英國皇家格林威治天文台所在的時區為零時區，範圍從西經7.o5到東經7.o5，在此時區內統一使用格林威治時間；零時區以東是東一時區，從東經7.o5到東經22.o5，以東經15o的時間為標準時；再往東，依次是東二區、東三區…直到東十二區。同樣，從零時區向西，依次是西一區、西二區、西三區…直到西十二區。每跨一個時區，時間相差一小時；同一時區內，區時和地方時之差不超過半小時。時區與時區之間，相差整數小時，分和秒相同。這樣使用起來非常方便。例如，我國北京時間是東八區區時，也就是東經120o標準時，北京在格林威治以東，如果現在格林威治時間是7時30分，那麼北京時間就是7時30分加上8小時，等於15時30分。原子時·協調時·閏秒二十世紀三十年代發明了更加精密的石英鐘後，人們發現世界時儘管加上了極移改正（UT1），仍然是不均勻的。經研究查明，地球自轉存在長期變化、不規則變化和複雜的周期變化。為了滿足更高精度的實際需要，人們開始到物質的微觀世界去尋找具有更穩定周期的物質運動形式用作為新的時間計量標準。於是，以物質內部原子運動的特徵為基礎的原子時應運而生。原子時是以秒，而不是以日為基本時間單位的，原子時秒長定義為：銫原子基態的兩個超精細能級間在零磁場下躍遷輻射9?192?631?770周所持續的時間。1967年第十三屆國際計量委員會決定，把在海平面上實現的上述原子時秒規定為國際單位制時間單位。原子時起點定在1958年1月1日0時（UT），即規定在這一瞬間，原子時和世界時重合。根據這一定義，任何銫原子鐘在確定起始曆元後都可以提供原子時。由世界各地時間實驗室用足夠精確的銫原子鐘導出的原子時稱為地方原子時，不同的地方原子時存在著差異。世界各國的原子鐘按照規定的方法進行相互比對，其數據再由專門的國際機構進行處理，求出全世界統一的原子時，稱為國際原子時，簡稱IAT。相對於以地球自轉為基礎的世界時來說，原子時是均勻的計量系統，這對於測量時間間隔非常重要，但世界時時刻反映了地球在空間的位置，這也是需要的。為兼顧這兩種需要，引入了協調世界時（UTC）系統。UTC在本質上還是一種原子時，因為它的秒長規定要和原子時秒長相等，只是在時刻上，通過人工干預，盡量靠近世界時。協調世界時（UTC）盡量靠近世界時(UT1)的意思是：必要時對協調世界時作一整秒的調整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的時刻之差保持在±0.9秒以內。這一技術措施就稱為閏秒（或跳秒），增加1秒稱為正閏秒（或正跳秒）；去掉1秒稱為負閏秒（或負跳秒）。是否閏秒，由國際地球自轉服務（英文縮寫為IERS）決定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正閏秒，則在閏秒當天的23時59分60秒後插入1秒，插入後的時序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，這表示地球自轉慢了，這一天不是86400秒，而是86401秒；如果是負閏秒，則把閏秒當天23時59分中的第59秒去掉，去掉後的時序是：…57秒，58秒，0秒，…，這一天是86399秒。設在法國巴黎天文台的國際地球自轉服務中心局，每六個月都要發布公報，予告下一個可能的閏秒日期的閏秒情況，或確認不發生閏秒，例如1999年12月底不會發生閏秒。我國現在的民用時就是UTC時間，由國家授時中心—中國科學院陝西天文台的長波和短波無線電時號發播台（代號BPL、 BPM），每天24小時不間斷地發播出去，供廣大用戶使用，該UTC時號已經包括可能的閏秒改正。此外，陝西天文台在其《時間頻率公報里》也提前刊登閏秒信息，供某些特殊用戶使用。關於夏令時我們知道，春分以後，地球北極漸漸向太陽靠近，北半球的晝夜長短逐漸從等長過渡到晝長夜短，在秋分那天又回到晝夜等長。從春分到秋分這段時間裡，北半球每天照射的時間一般都在12小時以上。以西安為例，從四月中旬到九月中旬，白天平均為十四個小時左右，如何利用這大好的自然光源？有人想起能否在春季將時鐘撥快，讓大家早起早睡，以節約照明用電，到了秋季再把鍾撥回來。這個主意最早是一個英國人想到的，他在本世紀初三次向英國議會提出建議，均被否決。但幾年以後的1916年，德國首先實行了這個辦法，以節約戰時匱乏的能源。隨後，法國、義大利、荷蘭等國相繼仿效。這種時制稱為夏令時，我國解放前幾年在部分地區也曾實行過。1986年4月，中央有關部門發出「在全國範圍內實行夏時制的通知」，具體作法是：每年從四月中旬第一個星期日的凌晨2時整（北京時間），將時鐘撥快一小時，即將錶針由2時撥至3時，夏令時開始；到九月中旬第一個星期日的凌晨2時整（北京夏令時），再將時鐘撥回一小時，即將錶針由2時撥至1時，夏令時結束。從1986年到1991年的六個年度，除1986年因是實行夏時制的第一年，從5月4日開始到9月14日結束外，其它年份均按規定的時段施行。在夏令時開始和結束前幾天，新聞媒體均刊登有關部門的通告。1992年起，夏令時暫停實行。閏年和閏月大家都知道，公曆有閏年，農曆有閏月，這是怎麼回事？現在我們使用的公曆源自古代羅馬人的儒略曆，儒略曆歷年的平均長度為365.25平太陽日，但回歸年的長度是365.2422平太陽日。這樣，每年儒略曆歷年要比回歸年長出約11分14秒。從公元前46年到十六世紀，誤差累積竟達10天之多。為了解決這個問題，當時的教皇格里高利十三世就將1582年10月5日人為地規定為10月15日。為避免以後誤差再度累積，同時還規定了設置閏年的新規則：凡是能被4整除的年份是閏年；但世紀年，即逢百之年，必須能被400整除才是閏年。例如1980年能被4整除，是閏年；1900年是逢百之年，雖能被4整除，卻不能被400整除，所以不是閏年；而2000年又將是閏年。凡是閏年，在2月份增加一天，變平年的28天為29天。這樣，公曆歷年的平均長度為365.2425平太陽日，更接近回歸年，3000年左右才差一天。閏月是農曆中的規定。農曆又稱夏曆，它實際上是一種陰陽曆，即反映月相盈虧的變化，又照顧寒暑時令。農曆規定：大月30天，小月29天，這是因為朔望月的長度是29.5306平太陽日。如果一年12個月，全年才有354天，與回歸年相差11天。為了糾正這個差數，規定每3年中置1個閏月，即增加一個月，5年置2個閏月，19年中共置7個閏月。如此設置後，農曆歷年的平均長度為365.2468平太陽日，與回歸年就十分接近了。月相的變化和海潮相關，而農曆的月正是朔望月，所以漁業、鹽業、航海事業都離不開它。21世紀始於2001年21世紀和第三個千年紀的起始時間為2001年1月1日0時。理由是：1. 「世紀」 一詞有兩個含義，作為量詞表示100年的時間間隔；作為序數詞表示第幾個百年，這也是該詞在英文中的本義，因此世紀就同年、月、日等時間單位作序數詞一樣，均應由「1」計起。根據國際公認的世紀的定義，第一世紀從公元元年到公元100年，以後應等而同之。另外，國內外絕大多數有代表性的辭書也都認為世紀從「1」年開始。2. 新的世紀和新的一個千年紀從哪一年算起，是個全球性問題，必須遵循國際上約定俗成的慣例，必須與大多數國家保持一致。西方主要國家的頒歷機構─美國海軍天文台、英國格林威治天文台、法國巴黎經度局，均發表過21世紀和第三個千年紀始於2001年的正式意見，他們的意見基本上代表各自政府的官方觀點。我國曆書編算機構紫金山天文台，年初也曾發表上述意見，並通過中國科學院呈報國家有關部門。另外，2000年是世紀之年，又是第二個千年紀的最後一年，非同一般，各個國家都可能有一些官方或民間組織舉辦各類慶祝活動，這是正常的，與21世紀和第三個千年紀正式起始於2001年並無矛盾。
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