時間及其單位秒

施昌彥

    時間是什么？歷史上曾經爭論不休。哲學家康德認為時間和空間不是客觀存在的，而是人的先天的直觀形式。馬赫則把它看作是“感覺系列調整了的體系”，是用來整理認識材料的工具。物理學家牛頓認為時間是均勻流逝著的，它與空間和空間盛著什么物質毫無關系，即在一個系統中同時發生的兩個事件，不論在什么系統中觀察都是同時的。
    這種同時性的絕對觀念或“絕對時間”，與愛因斯坦相對論的觀念是截然相反的。根據狹義相對論原理，在度量時間進程時，會看到運動的時鐘要比靜止的時鐘行進得慢。根據廣義相對論原理，在較強的引力場中時鐘也行進得較慢，即引力場中光譜線向紅端移動。現代物理學的發展，特別是相對論的提出及其后來得到證實，都證明了辨證唯物主義關于時間、空間與運動著的物質具有不可分割聯系的原理，無疑是正確的。
    從計量學的角度來看，時間這個概念至少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個瞬時之間的間隔，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；后者則是這個線段上某一個點所表示的瞬間。前者表示事件持續的久暫，后者表示事件發生的遲早。
    欲表示事件發生的時刻，首先要選取一個時刻作為起算的原點，然后以一個標準的時間間隔作單位，在時間坐標上計算事件發生的瞬間到原點之間的時間間隔。這個時間坐標就稱為“時標”(time scale)。根據起算原點和時間單位的不同，可以建立不同的時標，例如世界時、歷史時、國際原子時、協調世界時等。
    而能連續不斷地維持時標值或保持時標，給出時刻和時間間隔的工作就稱為“守時”(time conservation)。守時的基本手段是鐘——指示時刻和計算時間間隔的計量器具，各種時標都是通過守時鐘的讀數體現出來的。守時還需要科學的時標計算方法和準確的時間比對手段。
    我國遠在公元前五百多年前，就利用“日晷”來觀測地球繞太陽運行的周期。以后又創造了沙漏、水漏、滴漏等守時工具。在中國歷史博物館至今還珍藏著元朝后期(1361年)創制的“銅壺滴漏”。
    在國際單位制(SI)中，表示時間這個基本物理量的單位是秒(s)，它經歷了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是根據天體運行周期，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子效應得到的。
    在天文秒中，世界時(UT)的秒是以地球自轉運動周期為基礎確定的，而歷書時(ET)則以地球繞太陽的公轉運動周期為基礎。地球自轉一周的時間稱為“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，所以這個真太陽日很不均勻，最長的一天與最短的一天相差約51秒。
    于是，人們把一年中真太陽日的平均值定為平太陽日，進而把它的1/86400定為“平太陽秒”。這就是最初的秒的定義，一直沿用到1960年第11屆國際計量大會(CGPM)決定以歷書時(ET)的秒取而代之。實際上，地球自轉速度有長期減慢趨勢并時有不規則變化，平太陽秒的測量不確定度只有10-8。而地球的公轉運動卻比自轉運動穩定得多，所以歷書時要比世界時均勻。
    但是，天文觀測畢竟繁瑣費時，人們對宏觀天體運動的規律也難以全面掌握，而對時間準確計量的需求卻愈來愈高。于是，利用微觀量子效應來確定時間的呼聲高漲、進展迅速，致使歷書時只用了7年，在1967年第13屆國際計量大會上，正式決定以原子秒取代天文秒:“秒是銫-133原子基態的兩 個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的持續時間”。
    在秒的新定義中之所以采用這么多個周期，即把銫-133原子的振蕩周期積累這么多次，其目的是使原子秒與原來的天文秒盡量一致起來。眾所周知，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常穩定，因此它比天文秒的穩定性要高10萬至100萬倍以上。而且測量方便，準確度高(10-13～10-14)，容易復現，因此原子秒的這個定義一直沿用至今。
    由上可見，不管是天文秒還是原子秒，說到底都是根據時間不停流逝的特點，從周期性運動現象中截取周期的若干分之一(天文秒)或周期若干倍(原子秒)的方式來獲取的，并且大致上以地球自轉一周24小時為依據。計量學家們所追求的，只不過是選擇一種盡量穩定準確的、易于復現和觀測的周期運動而己。
    世界時以公元的起點作為時標原點，盡管不夠均勻穩定，但它準確反映了地球自轉的角位移，因而在大地測量、天文觀察和人類生活方面仍有重要應用。以原子秒積累起來的原子時(TA)則廣泛應用于計量、衛星和無線電通訊等領域，盡管均勻穩定，卻沒有天然的時標原點。于是，1971年第14屆國際計量大會決定采用國際原子時(TAI)，其起點是1958年1月1日0點，即在此刻它與世界時對準看齊。
    但是原子秒比平太陽秒略短，兩者對齊后隨著時間的推移，原子時鐘的讀數會比世界時鐘讀數逐漸偏大。比方，從起點1958年到1995年末的38年間，原子時鐘比世界時鐘慢了近30秒。
    為此，從兼顧不同方面的需要出發，國際上在1972年規定世界時與原子時應保持一致，調整量為1秒。1975年又改為0.9秒:當差值快接近0.9秒時，加或減一秒。這就是“閏秒”，它與公歷設閏年，農歷設閏月的道理是相似的。
    比方在格林尼治時間的0時區和西半球，1995年12月31日這一天不是平日的86400秒，而是86401秒，新年鐘聲推后了一秒鐘。再上一次發生在1994年6月30日末。這增加的一秒鐘即是閏秒，這種時間系統就是協調世界時(UTC)。自1972年實行協調世界時以來，已加設20個閏秒，均發生在年末或半年末。
    所以，時間與空間一樣，人們是可以準確度量或計量的。我國的時間計量基準由中國計量科學研究院