网站地图 | 联系我们 | English | 中国科学院
站内搜索:
新稿撰写
 您现在的位置:首页 > 新稿撰写 > 综合办供稿
时间是什么?
文章来源: 发布时间:2010-07-16 字体大小:【

“现在是什么时间?”或者“现在离新年还有多长时间?”这恐怕连小学生也觉得是再简单不过的问题了。可如果把词序颠倒一下再问:“时间是什么?”恐怕绝大多数人都会顿觉茫然。事实的确如此。“时间”对我们是再重要、再平常、使用再多不过的概念了:“要抓紧时间”、“浪费时间就等于浪费生命”、“时间就是金钱”…

人们把时间看作是不依赖于任何其它事物而独立存在的、无休止地均匀流逝的客体;在中学生数学、物理课本中,时间被表述成一条有起点、有单位、有指向、无始无终的直线,这就是符合人们常识的牛顿“绝对时间”,也是直到本世纪初被普遍接受的科学的时间概念。

真理是相对的,它总是随着科学的进步而发展,人类进入二十世纪后,物理学、天文学的新成果、新发现向“绝对时间”的基本观念提出了挑战。爱因斯坦狭义相对论指出,时间不能脱离宇宙及其事件的观察者而独立存在,时间是宇宙与其观察者之间的联系的一个方面。处于相对匀速运动的不同观察者,一般对同一事件总会测出不同的时间。例如,相对观察者作匀速运动的钟总是比相对于观察者静止的钟走得慢,钟的相对速度越大,越接近光速,效应越明显。另外,爱因斯坦广义相对论的一个直接推论是,由于引力场的原因处于地球表面不同高度的时钟走速不一样,海拔越高钟速越快,差值约为1.09×10-16秒/米(海拔),即每升高100米,时钟变快百万亿分之一秒。爱因斯坦相对论做出的这些预言已经被实验所验证。另外,如果承认根据爱因斯坦相对论和本世纪重大天文发现(河外星系谱线红移、微波背景辐射、不同星系上近似的氦丰度)提出的“大爆炸”宇宙模型,那就要接受我们这个宇宙必然有“开端”(至少在100亿年前吧),并且还可能有终结(至少在几百亿年以后),多么惊世骇俗的结论!

还好,由爱因斯坦广义相对论和量子力学得出的现代宇宙论的最新研究成果是:我们这个观测所及的宇宙(范围约150亿光年)是有限无界的,即在空间─时间尺度上有限但无边界(或边缘),无始无终,无生无灭!当然,这只是一种比较新的宇宙模型,由此做出的科学预言还要接受实际观测的验证。

总而言之“时间是什么?”的问题实质上是探索时间的本质,这只是极少数科学家、哲学家热心研究的课题,而且远没有得出一个令人满意的结果,看来还需要长期探索下去。好在对于时间的实际应用,按常规理解就够了,在个别领域,有时需要给时间加上相对论改正。

时间的计量

大家都知道,长度、质量、时间是三大基本物理量,时间计量对生活、生产、科学研究等人类一切活动都具有最基本的意义。时间计量包含既有差别又有联系的两个内容:时间间隔和时刻的测定。时间间隔是指客观物质运动的两个不同状态之间所经历的时间历程;时刻是指客观物质在某一种运动状态的瞬间与时间坐标轴原点之间的时间间隔。一般通过某种选定的物质运动过程作参考,把其它物质的运动过程与这个参考过程进行比较,判别和排列事件发生的先后顺序并据此导出事件发生的时刻和运动过程所经历的时间间隔。

客观世界的物质运动千差万别,不可能选取一种物质运动过程作为计量时间的标准,如天体的年龄可达100多亿年,而某些基本粒子的寿命却只有10-24秒。不同的时间计量方法分属不同的学科分支或不同的技术门类。测量天体的年龄使用天体物理的方法;日、月、年、世纪的协调和研究属于天文学中的历法范畴;秒以下时间的测定、保持、传递则是授时机构的任务。

日·月·年

人类最早认识的第一个时间单位不是年,也不是月,而是日。远古时代,没有任何东西能象黎明降于大地的光明和温暖,以及日落带来的黑暗与寒冷更影响人类的生存。太阳东升西落,周而复始,循环出现。这一次日出到下一次日出,或这一次日落到下一次日落,这样天然、强烈的变化周期,使人们逐渐产生了日的概念。

月亮是夜空中最显著的天体,它的圆缺变化是人类最早认识的天象之一。农历初一、三十,完全看不到月亮,这就是“朔”。十五前后月亮最圆,称为“望”。人们利用已经认识的“日”这个时间单位,注意到朔望变化具有相当准确的周期,由此逐渐产生朔望月的概念。

年作为时间单位的观念产生的最晚,一是年的周期长,二是没有日出日落和月面圆缺那样明显的天象与之对应。但可以推测它一定是根据因季节变化而产生的自然现象:河水泛滥、草木苦荣、鸟兽迁徙、寒暑交替等等而逐步认识的。

今天我们知道,“日”是以地球自转运动为基础的时间单位,按照严格的科学定义有不同的“日”,平常用到的是所谓的平太阳日,一平太阳日等于平太阳在天球上由东向西连续两次通过同一子午圈所需要的时间。

“月”是以月球绕地球公转运动为基础的时间单位,也有各种不同的月。朔望月是月相变化的周期,根据月球相对太阳的位置来确定。1朔望月等于29.53059平太阳日。

“年” 是以地球绕太阳公转运动为基础的时间单位,也有各种各样的“年”的定义,以适应不同的需要。回归年是太阳在天球上连续两次通过春分点所需要的时间,1回归年等于365.24220平太阳日。

由以上看出,日、月、年三个时间单位由三种互不相干的天体运动周期确定,它们的长度没有简单的倍数关系,如何调整它们,那就是历法工作的主要任务了。

小时和时辰

在现代社会中,时、分、秒是调节人们日常活动的重要工具,它们都是从自然时间单位─“日”,经过人为划分得到的。我们今天使用的小时是古埃及人创造的。他们最初把白天划分为十小时,日出前和日落后的晨昏朦影各计一小时;夜间计为十二小时,总共二十四小时。白天的小时按太阳在天空中的位置划分,夜间的小时各用一个星辰的出没来表示。小时的长度昼夜不等,且随季节的改变而变化。尽管这种时制很粗糙,应用起来不方便,但它却是我们今天所用二十四小时时制的雏形。

我国古代很早以前就把一天分为十时,后来又有百刻制和十二时辰之分。所谓百刻制,就是将一天划分为一百个等分。而十二时辰则是把一天分为子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二个小的时段。十二时辰与今天的二十四时制的对应关系是:子时相当于午夜23时至1时;丑时相当于凌晨1时至3时;寅时相当于凌晨3时至5时,其余依次类推。为了把时间定的更准确,又把每一时辰分为初、正两部分,例如子初为23时到0时;子正为0时到1时。

一天包含十二时辰,又是一百刻,两者之间是除不尽的关系。为了把时辰和刻协调起来,西汉末年曾把一天改为一百二十刻。以后又改为九十六刻和一百零八刻。改来改去,到清朝初期又改为九十六刻。在我国古典小说或戏剧作品中常有“午时三刻,开刀问斩”的话,这午时三刻,大约就相当于今天的北京时间十二时整。

世界时

地球自转运动是个相当不错的天然时钟,以它为基础可以建立一个很好的时间计量系统。地球自转的角度可用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。为了测定地球自转,人们在天球上选取了两个基本参考点:春分点和平太阳,以此确定的时间分别称为恒星时和平太阳时。恒星时虽然与地球自转的角度相对应,符合以地球自转运动为基础的时间计量标准的要求,但不能满足日常生活和应用的需要。人们习惯上是以太阳在天球上的位置来确定时间的,但因为地球绕太阳公转运动的轨道是椭圆,所以真太阳周日视运动的速度是不均匀的(即真太阳时是不均匀的)。为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统,人们引进了一个假想的参考点─平太阳。它在天赤道上作匀速运动,其速度与真太阳的平均速度相一致。

平太阳时的基本单位是平太阳日,1平太阳日等于24平太阳小时,86400平太阳秒。以平子夜作为0时开始的格林威治平太阳时,就称为世界时,简称UT。世界时与恒星时有严格的转换关系,人们是通过观测恒星得到世界时的。后来发现,由于地极移动和地球自转的不均匀性,最初得到的世界时,记为UT0,也是不均匀的,人们对UT0 加上极移改正得到UT1,如果再加上地球自转速率季节性变化的经验改正就得到UT2。

六十年代以前,世界时作为基本时间计量系统被广泛应用,。因为它与地球自转的角度有关,所以即使出现了更为均匀的原子时系统,世界时对于日常生活、大地测量、天文导航及其它有关地球的科学仍是必需的。

时区的划分

以观测者所在地的子午线为基准测出的平太阳时,称为地方平太阳时。同一瞬间,位于地球不同经度的观测者测出的地方平太阳时是不同的,因此需要一个统一标准。十九世纪中叶,欧美一些国家开始采用一种全国统一的时间。这种时间多以本国首都或重要商埠的子午线为标准,例如英国采用格林威治时间,法国采用巴黎时间,美国采用华盛顿时间。这种时间在一国之内使用尚无不便,但是,随着铁路长途运输和远洋航海事业的发展,人们的国际交往越来越频繁,各国仍旧采用各自未经协调的地方时,给人们带来很多困难。于是在上个世纪七十年代,有人提出在全世界按统一标准划分时区,实行分区计时。这个建议先在美国和加拿大实行,后被多数国家所采用。1884年华盛顿国际子午线会议决定,将这种按全世界统一的时区系统计量的时间称为区时,又称标准时。

世界时区的分法是:每时区横跨经度15º,全世界划分为24个时区。英国皇家格林威治天文台所在的时区为零时区,范围从西经7.º5到东经7.º5,在此时区内统一使用格林威治时间;零时区以东是东一时区,从东经7.º5到东经22.º5,以东经15º的时间为标准时;再往东,依次是东二区、东三区…直到东十二区。同样,从零时区向西,依次是西一区、西二区、西三区…直到西十二区。每跨一个时区,时间相差一小时;同一时区内,区时和地方时之差不超过半小时。时区与时区之间,相差整数小时,分和秒相同。这样使用起来非常方便。例如,我国北京时间是东八区区时,也就是东经120º标准时,北京在格林威治以东,如果现在格林威治时间是7时30分,那么北京时间就是7时30分加上8小时,等于15时30分。

原子时·协调时·闰秒

二十世纪三十年代发明了更加精密的石英钟后,人们发现世界时尽管加上了极移改正(UT1),仍然是不均匀的。经研究查明,地球自转存在长期变化、不规则变化和复杂的周期变化。为了满足更高精度的实际需要,人们开始到物质的微观世界去寻找具有更稳定周期的物质运动形式用作为新的时间计量标准。于是,以物质内部原子运动的特征为基础的原子时应运而生。原子时是以秒,而不是以日为基本时间单位的,原子时秒长定义为:铯原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9‚192‚631‚770周所持续的时间。1967年第十三届国际计量委员会决定,把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制时间单位。原子时起点定在1958年1月1日0时(UT),即规定在这一瞬间,原子时和世界时重合。根据这一定义,任何铯原子钟在确定起始历元后都可以提供原子时。由世界各地时间实验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时,不同的地方原子时存在着差异。世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对,其数据再由专门的国际机构进行处理,求出全世界统一的原子时,称为国际原子时,简称IAT。

相对于以地球自转为基础的世界时来说,原子时是均匀的计量系统,这对于测量时间间隔非常重要,但世界时时刻反映了地球在空间的位置,这也是需要的。为兼顾这两种需要,引入了协调世界时(UTC)系统。UTC在本质上还是一种原子时,因为它的秒长规定要和原子时秒长相等,只是在时刻上,通过人工干预,尽量靠近世界时。

协调世界时(UTC)尽量靠近世界时(UT1)的意思是:必要时对协调世界时作一整秒的调整(增加1秒或去掉1秒),使UTC和UT1的时刻之差保持在±0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒(或跳秒),增加1秒称为正闰秒(或正跳秒);去掉1秒称为负闰秒(或负跳秒)。是否闰秒,由国际地球自转服务(英文缩写为IERS)决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日,或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒,则在闰秒当天的23时59分60秒后插入1秒,插入后的时序是:…58秒,59秒,60秒,0秒,…,这表示地球自转慢了,这一天不是86400秒,而是86401秒;如果是负闰秒,则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉,去掉后的时序是:…57秒,58秒,0秒,…,这一天是86399秒。

设在法国巴黎天文台的国际地球自转服务中心局,每六个月都要发布公报,予告下一个可能的闰秒日期的闰秒情况,或确认不发生闰秒,例如1999年12月底不会发生闰秒。我国现在的民用时就是UTC时间,由国家授时中心—中国科学院陕西天文台的长波和短波无线电时号发播台(代号BPL、 BPM),每天24小时不间断地发播出去,供广大用户使用,该UTC时号已经包括可能的闰秒改正。此外,陕西天文台在其《时间频率公报里》也提前刊登闰秒信息,供某些特殊用户使用。 

关于夏令时

我们知道,春分以后,地球北极渐渐向太阳靠近,北半球的昼夜长短逐渐从等长过渡到昼长夜短,在秋分那天又回到昼夜等长。从春分到秋分这段时间里,北半球每天照射的时间一般都在12小时以上。以西安为例,从四月中旬到九月中旬,白天平均为十四个小时左右,如何利用这大好的自然光源?有人想起能否在春季将时钟拨快,让大家早起早睡,以节约照明用电,到了秋季再把钟拨回来。这个主意最早是一个英国人想到的,他在本世纪初三次向英国议会提出建议,均被否决。但几年以后的1916年,德国首先实行了这个办法,以节约战时匮乏的能源。随后,法国、意大利、荷兰等国相继仿效。

这种时制称为夏令时,我国解放前几年在部分地区也曾实行过。1986年4月,中央有关部门发出“在全国范围内实行夏时制的通知”,具体作法是:每年从四月中旬第一个星期日的凌晨2时整(北京时间),将时钟拨快一小时,即将表针由2时拨至3时,夏令时开始;到九月中旬第一个星期日的凌晨2时整(北京夏令时),再将时钟拨回一小时,即将表针由2时拨至1时,夏令时结束。从1986年到1991年的六个年度,除1986年因是实行夏时制的第一年,从5月4日开始到9月14日结束外,其它年份均按规定的时段施行。在夏令时开始和结束前几天,新闻媒体均刊登有关部门的通告。1992年起,夏令时暂停实行。

闰年和闰月

大家都知道,公历有闰年,农历有闰月,这是怎么回事?

现在我们使用的公历源自古代罗马人的儒略历,儒略历历年的平均长度为365.25平太阳日,但回归年的长度是365.2422平太阳日。这样,每年儒略历历年要比回归年长出约11分14秒。从公元前46年到十六世纪,误差累积竟达10天之多。为了解决这个问题,当时的教皇格里高利十三世就将1582年10月5日人为地规定为10月15日。为避免以后误差再度累积,同时还规定了设置闰年的新规则:凡是能被4整除的年份是闰年;但世纪年,即逢百之年,必须能被400整除才是闰年。例如1980年能被4整除,是闰年;1900年是逢百之年,虽能被4整除,却不能被400整除,所以不是闰年;而2000年又将是闰年。凡是闰年,在2月份增加一天,变平年的28天为29天。这样,公历历年的平均长度为365.2425平太阳日,更接近回归年,3000年左右才差一天。

闰月是农历中的规定。农历又称夏历,它实际上是一种阴阳历,即反映月相盈亏的变化,又照顾寒暑时令。农历规定:大月30天,小月29天,这是因为朔望月的长度是29.5306平太阳日。如果一年12个月,全年才有354天,与回归年相差11天。为了纠正这个差数,规定每3年中置1个闰月,即增加一个月,5年置2个闰月,19年中共置7个闰月。如此设置后,农历历年的平均长度为365.2468平太阳日,与回归年就十分接近了。月相的变化和海潮相关,而农历的月正是朔望月,所以渔业、盐业、航海事业都离不开它。

21世纪始于2001年

21世纪和第三个千年纪的起始时间为2001年1月1日0时。理由是:

1. “世纪” 一词有两个含义,作为量词表示100年的时间间隔;作为序数词表示第几个百年,这也是该词在英文中的本义,因此世纪就同年、月、日等时间单位作序数词一样,均应由“1”计起。根据国际公认的世纪的定义,第一世纪从公元元年到公元100年,以后应等而同之。另外,国内外绝大多数有代表性的辞书也都认为世纪从“1”年开始。

2. 新的世纪和新的一个千年纪从哪一年算起,是个全球性问题,必须遵循国际上约定俗成的惯例,必须与大多数国家保持一致。西方主要国家的颁历机构─美国海军天文台、英国格林威治天文台、法国巴黎经度局,均发表过21世纪和第三个千年纪始于2001年的正式意见,他们的意见基本上代表各自政府的官方观点。我国历书编算机构紫金山天文台,年初也曾发表上述意见,并通过中国科学院呈报国家有关部门。

另外,2000年是世纪之年,又是第二个千年纪的最后一年,非同一般,各个国家都可能有一些官方或民间组织举办各类庆祝活动,这是正常的,与21世纪和第三个千年纪正式起始于2001年并无矛盾。
Copyright@2009 By NTSC, ALL Rights Reserved
备案序号:陕ICP备05006479号
陕西省西安市临潼区书院东路3号 电话:029-83890326 传真:029-83890196 邮编:710600