时间计量

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第445页（4690字）

时间是物质存在的基本形式之一。

任何物质的运动、变化或发展过程都离不开时间。时间计量在科学研究、生产实践和日常生活中都是非常重要的。

时间计量包含时间间隔和时刻的测定，两者既有差别又有联系。

时间间隔是指客观物质运动过程中的两个不同状态(称为事件)之间所经过的时间历程。

时刻是客观物质运动过程中某一事件发生的瞬间，通常以对于取作时间零点的瞬间的时间间隔来表示。

时间计量必须以物质运动为根据。选定某种具体的物质运动形式作为时间计量基准，取一定长度的时间间隔作为计量单位，再选定一个瞬间作为计量的起点(称为初始历元)，便可建立一定的时间计量系统。时间计量工作包括测时、守时和授时。

测时就是用一定的仪器和方法观测时间基准以获得时间；守时就用计时设备把测得的时间记录下来；授时就是用各种传播手段把时间发布出去供用户使用。

研究时间计量的目的在于探索更加完善的计量基准，改进并发展计量工作，致力于提高计量的精确度。

计量相差巨大的时间间隔，必须根据实际对象选择不同的计量手段。例如，天体的年龄以百亿年计，是根据天体的质量和能量损耗率，通过质能关系式来估算的。

地球的年龄、地质时期的绝对年龄采用放射性元素衰变法，可测定数千年到数10亿年之间的时间间隔。利用古生物化石可以推断古生物生存的地质时代等等。

通常意义下的时间计量，是指在天文机构或物理实验室中对日及日以下的时间间隔的计量。

1960年以前的时间计量基准是地球自转。地球自转的角度用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量；这个角度的大小相应于时间间隔的长短。由于所选用的参考点不同而形成不同的时间计量系统。

从远古时代起，人们就以太阳作为这种参考点，即以太阳在天球上视运动的位置变化来计量时间。太阳在同一子午线连续两次中天的时间间隔为1d。太阳的视运动除了反映地球自转的周日视运动外，还包含反映地球公转的周年视运动。以太阳为参考点的“真太阳时”是不均匀的。

在天文观测和研究中长期以来用春分点作为参考点，以春分点的周日视运动确定时间，这就是恒星时。恒星时的基准也是地球自转。

春分点在天球上没有明确标志，实际上观测恒星来间接地推算春分点位置。春分点本身受岁差章动影响并不固定。

恒星时也不是一种均匀的时间系统。

1895年美国纽康(S．Newcomb)研究了真太阳的视运动后定义了一个假想的平太阳。

设想天球上有一个虚构的点，它的赤经靠近真太阳黄经，并在赤道上作均匀的周年视运动，其速度为真太阳在黄道上视运动的平均速度。这个虚构的点称为平均赤道太阳或简称平太阳。

当把平太阳作为参考点时，就得到平太阳时。在格林威治子午线上的地方平太阳时，称为世界时(UT)。

平太阳连续两次在同一子午线中天的时间间隔为1平太阳日，这是世界时的基本单位。世界时的秒长是1平太阳的1／86400。

事实上，世界时的秒长并不是一个定值。世界时和恒星时之间有明确的换算关系。

传统的世界时测量就是以天文方法观测恒星，测得恒星时，通过换算求得世界时。

20世纪30年代从天文观测中发现了地球自转的不均匀性，从而证实了世界时不是一种均匀的时间计量系统。

1955年国际天文学联合会(IAU)决定对于世界时引进两项小的重要修正。一项是因为地极移动引起的地方经度变化，加这一改正后为UT1；另一项是地球自转速率季节性不均匀的影响，加以上两项改正后为UT2。但是因为没有考虑地球自转不均匀的全部影响，UT2只是一种准均匀时系统。UT1有明确的天文和地球物理学的意义，即它代表了地球自转速率。1980年国际时间局(BIH)在UT1上又加日月潮汐短周期项改正，给出UT1R，其目的仅在于平滑地球自转速率。

根据IAU的决议，从1960年起用历书时(ET)代替UT2。

历书时是把动力学理论应用到地球的公转运动而得到的一种时间计量系统。历书时的秒长规定为1900年1月0日12时正回归年长度的1／31556925．9747，这是一个定值；其初始历元是这样规定的：在1900年岁首附近，太阳几何平黄经为279°41′48″．04的瞬间为历书时1900年1月0日12．0时正。

历书时在理论上是均匀的，但观测误差太大，难于高精度地得到，不能满足各种科学技术工作的需要。

1967年10月举行的第13届国际度量衡大会通过决议，以原子时(AT)代替ET，规定：位于海平面上的铯¹³³原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒，初始历元定在1958年1月1日0时。

这样定义了原子时系统。由全球约60个实验室的200来台原子钟经过时间讯号传输或其他方式的比对，汇总到巴黎，早先由BIH，1988年起由国际计量局(BIPM)统一处理后得到的原子时称为国际原子时(TAI)。

由于地球自转不均匀的影响，目前世界时的秒长已比原子时秒长约长3×10^－8，一年的累积量可达1s左右，这种累积量将越来越大。可是人们在实用上离不开世界时时刻。

为了协调世界时时刻和原子时秒长，自1972年1月1日起采用协调世界时(UTC)。它的秒长严格等于原子时秒长，但在时刻上则要求尽量与世界时接近，规定两者的差值小于0．9s。为此，可能在每季度最后一天对UTC时刻作1整s的调整，这称为跳秒。跳秒多在一年的12月31日23时59min60s时进行。

何时必须跳秒，由BIH(1988年后改组为国际地球自转服务，IERS)计算并发布。

时间计量系统的发展与测时和守时手段的发展紧密相关。天文测时的方法和设备在20世纪50年代以前主要是用带有望远镜的目视仪器。50年代起新仪器在全球迅速普及。

早在1934年美国的威利斯(J．E．Willis)改进了照相天顶筒用于测时。1946年前苏联的巴甫洛夫(Н．Н．Павлов)发明了光电中星仪。1952年法国丹戎(A．－L．Danjon)研制成超人差棱镜等高仪。1972年中国首次研制的光电等高仪投入使用。

60年代起，这些仪器逐步实现用计算机控制的自动观测和处理。至此，世界时测定的全球综合结果精度达0．001s。60年代末又开始出现了甚长基线干涉测量(VLBI)、月球激光测距(LLR)和人造卫星激光测距(SLR)等新技术，世界时测定的精度可达0．0001s的水平。80年代前半期这类新技术已在全球全面取代了光学观测。

20世纪30年代以前的天文守时工具主要是精密的天文摆钟。

1927年第1台石英钟问世，它是用高度稳定的石英晶体振荡器通过分频做成的。1932年以后，石英钟广泛地用于守时和精密时间测量。当前最好的石英钟的时间测量精度可达10^－11。

1949年美国国家标准局利用氨的吸收谱线制成氨分子钟。不久，美国和前苏联分别利用氨的发射谱线制成了脉泽型氨分子钟。1955年英国皇家物理实验室首次研制成功了铯束原子频率标准。此后利用其他元素制造的不同类型的原子频率标准相继出现，并以它们为基础制成了各种原子钟，如铯种、铷钟、氢钟等。

原子钟不仅其计时精度极高(当前最好的氢钟达10^－14)，而且是建立原子时的基础。它使时间计量从天文学范畴进入物理学范畴，从而产生了质的改变。

由于原子钟计时的高精度，还必须考虑原子运动的狭义相对论效应和原子钟在重力场中的广义相对论效应。

传统的授时工作是由测时台站以短波无线电时号发播时刻和频率。

随着技术的发展和对时间同步要求的提高，发播时频讯号的波段发展到长波和所有的无线电波段。传递讯号的机构和媒介也扩展到远距离无线电导航台、电视台、直播电视卫星、导航卫星、通讯卫星、VLBI和全球定位系统(GPS)的卫星网等等。当前中国的主要授时中心是陕西天文台，在5个短波标频上发播时号，呼号为BPM，还以呼号BPL发播长波时号。

20世纪70年代以来，随着观测精度的提高，天文工作中开始考虑时间尺度中的相对论效应。

1976年IAU大会作出决议正式在天文学中引进了相对论时间尺度。经典的时间和空间距离不再被视作绝对量，而依赖于所采用的参考系。1989年IAU成立了关于参考系的工作组，其中第3组是关于时间的分组。工作组于1991年1月提出了关于广义相对论框架内时空坐标系的9条建议。其中，对于在此框架下的若干时间尺度提出了明确定义和相互关系。还特别指出，当前在许多情况下，TAI可以代替视地心历表的时间尺度“地球时”(TT)。

在时间计量的领域内当前的热点为：(1)高精度时钟的研制。除了铯、氢等已经付诸实用的频率标准外，新的频率标准的研究正在不断进行，如离子囚禁标已接近连续工作阶段，激光抽动铯标准也有很大进展。(2)毫秒脉冲星的研究。PSR1937+21的连续观测显示其周期测量的精度达±5×10^－17s，稳定性为10^－19s／s。

研究脉冲星的计时观测结果，可以为检验原子钟的稳定性提供可靠的频率标准。(3)时间同步和比对。

今后精密的时间同步和比对主要是GPS共时比对法和应用扩频等技术的卫星双向比对法，其精度为毫微秒量级。(4)授时方面。授时台因不同用户的要求而采用不同波段的发播方式，电波在传播过程中受电离层、地形和各种传播介质影响引起的传递时间的改正日趋精密。(5)时间在相对论框架内的研究。

时间计量与坐标系选择的关系，和时间作为时空坐标系的一维在定义天文参考架中的意义等方面，正在深入研究之中。

。【参考文献】：

1 Woolard E W, Clemence G M. Spherical Astronomy,Academic Press,New York,1966

2 Kamas G. NBS Technical Note, 1977,695

3 Guinot B. Astronomie,1978,92:227～229

4 IAU Working Group on Reference Systems, Recommenda - tions of the WGRS,1991

5 Fairhead L. Astrometric analysis of timing observations of the fast pulsar PSR Astron,Astrophys,1991,241:289～296

(南京大学萧耐园副教授撰；张承志教授审)