倍福文学

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第141章 秒的诞生（第2页）

“而事实证明，地球的自转周期——日也并非固定不变的。它存在三种变化。

“一、从长期来看，地球的转在减慢。自转周期约合每35，ooo年增长1秒，以地球自转周期为基准所计量的时间，2ooo年来已累计慢了2个多小时。引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。据推算，3.7亿年以前，泥盆纪中期时地球上的一年有4oo天左右。二亿年后，一年仅有三百天，一天会变成三十小时。

“二、周期性变化。2o世纪5o年代从天文测时的分析现，地球自转度有季节性的周期变化，春天变慢，秋天变快，此外还有半年周期的变化。周年变化的振幅约为2o～25毫秒，主要是由风的季节性变化引起的。

“三、不规则变化。地球自转还存在着时快时慢的不规则变化。其原因非常复杂，尚待进一步分析研究。比如陨石撞击，陨石相对于地球的角动量就会影响地球的自旋度。

“当地球自转周期长期变慢的幅度较大时，我们的历无疑要作相应的调整。因此，年、月、日这些时间长度都是不固定的。而且太过依赖天文观测，如果没有独立于天文观测之外的测时手段，当日的长度生微小的变化时，我们凭感觉根本无从知道。

“日常生活中还需要比年月日更小的时间单位。

“古华夏人把一日分为十二时辰。配以十二地支，即：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。一个时辰相当于今天的两个小时。用一个滴嘴向一个容器中滴水，从日出到另一个日出，测容器中的水量，平均分成十二份，其中一份就需要一个时辰才能滴完。西方人计时则把一日分为二十四份，每一份就是今天的时。因为古代华夏的时是西方的时的两倍，为了区分，华夏的时辰又叫‘大时’，西方的时就叫‘小时’。小时传入华夏后，同时引入了分和秒的概念。华夏把一个时辰分为八刻，这个和西方把一个小时分为四刻正好相等。在计时的时间单位上东西方在这里不谋而合了。

“古人建立在天文观测上的测时工具主要有圭表、日晷等。圭字本身就象是个刻度尺，圭表中水平放置测量日影长度的刻度尺就是圭，立着产生影子的叫表。它能测定冬至日，并通过两个冬至日之间的日数就可得到年的长度。如果为了精确，可以将圭表做得很大，也可以测多年平均值。

“日晷：是对圭表的重要展，也是利用日影来计时。利用日晷来计时的方法是人类在天文计时领域的重大明，这项明已被人类延用了几千年，它不但已经可以精确到一天的具体时刻，还能显示节气和月份，但它也有显而易见的缺点，那就是必须需要有太阳，夜晚和阴天则不能用。

”

上述两个工具都不能将测时从对天文观测的依赖中解放出来。如果时间的测定仍然是建立在天文观测的日的基础上，那么当日的长度生变化时，这种测时的结果就失去了校准的依据，没有了可再现性。

“不依赖天文观测的计时工具有滴漏。东汉的张衡利用漏壶的水力驱动制造了大型天文计时仪器——水运浑天仪。它可以和日月运转同步，还有自动报时的功能。相当于水力驱动的机械钟了。1276年，元代着名天文学家郭守敬创制了大明灯漏，也是利用水力驱动。

“另外一个不依赖天文观测的计时工具是焚香。古时候做的标准的计时香一柱香燃完大概半个时辰，相当于今天的一个小时，因此也叫‘更香’。另外沙漏、油灯钟、蜡烛钟等计时工具和焚香也差不多是一个道理。它们的缺点是不准，且只适合确定时长，很难确定时刻。

“不依附天文测量的计时工具就是使用了另外的时间轴。这个时间轴要跟日月运行的时间轴进行校准。例如现代的摆钟、电子表、机械表等。这些测时工具的精度已大大提高，但是仍然需要和天文观测的时间轴锚定，并校准。

“经过一段时间过后，校准过的两个时间轴，可能就会不同步了，因为这些计时工具不可能都非常准确。人们需要一个统一的授时系统作为标准，其他系统都以其为标准进行校准。历就是是天然的授时系统，万年历是以天文测量为标准的授时系统，其时间单位是日、月、年、甲子等。

“原子钟可以不依赖天文测量的日来精准授时，但如果用作日历授时仍然需要以天文测量的时刻为标准来合并时间轴。如：‘刚才最后一响，是北京时间八点正’就是华夏统一的授时系统。

”

这就产生了一个问题：原子钟里面日的时长是不变的，但是太阳日的时长却是会改变的，那这两个不同的日要如何一直保持同步呢？我们总不能一直让时、分、秒的长度按天文日的变化来不断调整吧？

“我们的科学体系、精密仪器也需要以不依赖天文观测的秒来作为标准时间单位，授时系统一旦调整，影响巨大。

“我们把不依赖天文测量的原子钟计时系统给出的标准时间称为原子时，依天文测量确定的标准时间称为世界时。地球自转形成的一日是世界时。原子钟走了24小时，是原子时。虽然这个24小时曾经是从那个天文日转化过来的，但是一旦转化过程完成，它就不再依赖于日的长度了，它就变成一个独立的时间单位了。现在时和分的单位都是依赖秒来定义，不再依赖日的定义了，因为日的时间长度会变。当然，秒也曾经是从时和分转化过来的，但是转化已经完成，它们只是保留了原来的进制关系，现在确定时和分的时间长度，是依赖于秒的定义。原子时的秒和世界时的日月年是没有确定的倍数关系的。

“秒，曾经是从天文观测的‘日’中间接地诞生出来的，但是它出生后，就完全跟天文测量无关，却反过来成为人类确定其它一切时间的标准单位。

“我们的原子时和世界时怎么同步呢？上次我们已经谈过关于处理岁和年的同步问题，就是采用闰月的方法。处理原子时和世界时的同步问题可以采用闰秒的办法。一段时间以后，日的世界时长度累计如果长出原子时长度差不多一秒，就让原子时闰一秒，以保证世界时和原子时相差不过o.9秒。反之就闰负一秒。这样就保持了世界时的日不会改变，原子时的秒也不会改变，但是它们的时间轴上的大刻度仍然对应。这个闰秒一般放在公历年末或公历六月末。前年和去年的六月末都有正一秒的闰秒。有闰秒的那个日就不是正好24小时了。

“我们用闰秒调整日，用大小月调整月，用闰日调整年，用闰月调整岁。至此，我们对于时间单位的定义终于从天文观测中解放出来，得到了一个独立的时间单位：秒。起初的秒并不独立于天文观测，它经历了逐步的演化才真正地从天文和历法的定义中解脱出来。秒的独立史也是人类科学进步的历史。

“秒的定义经历了较长的时间。古希腊天文学家，包括希巴谷和托勒密，定义太阳日的24分之一为时，以六十进制细分时和分，得到秒是一太阳日的86，4oo分之一。这个称为世界时秒。按此定义复现秒的准确度只能达到亿分之一。世界时秒是秒的第一代。

“196o年，第十一次的国际度量衡会议通过决议。将秒定义为：自历书时19oo年1月1日12时起算的回归年的31，556，925.9747分之一为一秒。当时天文学家知道地球在自转轴上的自转不够稳定，不足以作为时间的标准。就象长度的米的定义必须指定为经过巴黎的那条经线一样，秒的定义也要指定一个特定历元下的地球公转周期，这个特定的历元就是19oo年1月1日12时。这就是秒的定义在历书上的锚定。这样定义的秒，称为历书秒或历书时秒。历书秒是秒的第二代。

“但是历书秒定义产生的时候，已经过了锚定点6o年，显然不可能回过头去实测。但是，纽康的太阳表以19oo年的历元描述了太阳的运动，所依据的是175o年至1892年142年的天文观测。因此可以经由线性关系的平回归年的算式推导出历书秒的长度。

“历书秒的定义虽然还是锚定在特定的历元上，但是已具备了既可今后独立定义又能和当下历法单位无缝对接的条件。随着原子钟的展，秒有了新的定义基准，而不需要再借用太阳日。历书秒为秒脱离对天文观测的依赖做好了准备。

“1967年，第13届国际度量衡会议通过决议，将秒作为时间的国际标准单位定义为：铯133原子基态的两个精细能阶间跃迁对应辐射的9，192，631，77o个周期的持续时间为一秒。原子的能级非常稳定，跃迁辐射信号的周期自然也非常稳定，而且测量方便，复现秒的准确度可以达到千万亿分之一。这个称为原子钟秒，是秒的第三代定义，它已经完全摆脱对天文观测的依赖。