星系和宇宙 时间系统

□ 闻新 刘钊

星系和宇宙 时间系统

□ 闻新 刘钊

时间与时间系统建立

古罗马帝国时期天主教思想家奥古斯丁（左图）和故宫博物院的日晷（右图）

中世纪著名思想家奥古斯丁有一句名言：“时间是什么？人不问我，我很清楚，一旦问起，我便茫然。”时间是一个很抽象的概念，生活中我们知道时间具有流逝性和测度性，流逝性是指时间一去不复返，测度性是指时间是可以测量的。

时间还包含“时刻”和“时段”两个概念，在古代时期，科学家们发明了用一天内日影方向和长度变化来测定时间的“日晷”和“圭表”等装备；后来，又发明了利用流体计时的“铜壶滴漏”、“燃香”等计时方法等等，这些装备和方法都利用了周期性运动规律。

在今天的日常生活中，人们通常采用钟表计时，而且还建立了完备的时间系统，如以地球自转为规律的世界时、以太阳系内行星公转为基准的历书时、以物质内部原子的跃迁过程中辐射或吸收的电磁波频率为基准的原子时等等。

世界时与协调世界时

地球的时区划分

在1884年召开的华盛顿国际经度会议上，专家一致认为虽然已经制定了不同区域的地方时，但是在一些重大的全球性活动中，还需要有一个全球范围内大家都共同遵守的统一时间，因此大会又规定了“国际标准时间”。“国际标准时间”要求全球范围内以0经度线上的时间作为国际上统一采用的标准时间，因为0经度线通过英国格林威治天文台，所以“国际标准时间”也称为“格林威治时间”，又称世界时。

世界时是以地球自转为基础，不够精确。1979年在日内瓦举行的世界无线电行政大会通过决议，用“协调世界时间（UTC）”取代“世界时”，并作为无线电通信领域内的标准时间。协调世界时是以原子时秒长为基础，在“时刻”上接近于世界时的一种时间计量系统，如北京时间，在时区划分上，属东八区，比协调世界时早8小时，记为UTC+8。

真太阳时和平太阳时

恒星时与太阳时的图解

恒星时是以地球真正的自转为基础，即从某一颗恒星升起开始到这一颗恒星再次升起。实际上，恒星时是由春分点的周日视运动所决定的时间，春分点连续两次过中天的时间间隔称为一个“恒星日”。恒星时的起点为春分点上中天的时刻，恒星时就是春分点的时角，它的数值S正好等于该瞬时上中天恒星的赤径。恒星时以角度量表示，在原有的时间单位基础上乘以15，即1秒对应15角秒。1分钟对应15角分，1小时对应15°。

地球自转是不均匀的，对恒星时有一定影响。以太阳为例，太阳时是指以太阳为标准来计算的时间，考虑到这种影响的为真太阳时，否则为平太阳时。日常生活用的时间为平太阳时，平太阳时假设地球绕太阳运行的轨道是标准的圆形，一年中每天都是均匀的，钟表所表示的时间就是平太阳时。而如果考虑地球绕太阳运行的轨道是椭圆的，则地球相对于太阳的自转并不是均匀的，每天并不都是24小时，有时候少有时候多，考虑该因素得到的时间就是真太阳时，日晷所表示的时间就是真太阳时。

怎样确定“时间段”的相等问题？

启蒙时代最具影响力的思想家洛克（左图）和著名数学家欧拉（右图）

哲学家洛克曾指出，我们没有办法确认周期运动的每个周期是等长的，我们只能假设它们等长。很多科学家同意这个观点，他们认为宇宙的时间进程整体地变快变慢，并不会产生任何影响。

为了确定“时间段”相等问题，18世纪的数学家欧拉提出一种“好钟”的概念，这种“好钟”的概念一直沿用到今天。“好钟”定义为：用它标度的时间，应该保证牛顿定律成立、麦克斯韦电磁定律出来、能量守恒定律成立……，还应该保证物理定律形式简单。

最近，学术界对这一问题又有了新的思路：用约定光速来定义“时间段”的相等，但有关研究还正在进行当中。

为什么说时间是弯曲的呢？

在太阳、中子星和黑洞附件的时间弯曲（左）和《星际穿越》主人公库珀见到女儿墨菲情景（右）

这个问题是爱因斯坦一直想回答的问题，终于在1912年，他意识到时间一定是被类似于地球或黑洞这些质量很重的物体弯曲了，导致时间弯曲的原因是引力，在太阳附近，时间流逝每天慢几分钟，而在中子星附近，时间流逝的速度每天则慢几个小时；黑洞附近因为引力无限大，所以在黑洞表面，时间流逝已经停止。爱因斯坦将这个发现用数学公式表示，并以定性的方式描述：任何事物都倾于去往时间流逝最慢的地方，是引力将其拉向那个地方。

黑洞周围时间变慢的效应在电影《星际穿越》中有所展示。主人公库珀对再次见到女儿墨菲已经绝望，因为他乘坐飞船飞到黑洞卡冈图雅附件时，时间变慢效应使得他老了几个小时，然而地球上已经过去了80年。

同样，按照爱因斯坦这个定律可以得出，时间流逝的越慢，引力就越大。有人在哈佛大学做了一个测量实验，一个居住在地下室的人与居住在同塔楼22层的人比较，时间流失慢1.6万亿分之一，这是因为越接近地心，引力越大所造成的原因。

时间弯曲对导航卫星精度的影响

对时间同步要求非常高的卫星导航系统

众所周知，手机可以通过北斗卫星确定我们所在的位置，精度可以达到10米。手机的定位精度依赖于卫星所发出的无线电信号。一般情况，在地球上的任意位置，手机一次可以收到4颗以上卫星发出的信号。每颗卫星发给手机的无线电信号里包括：卫星的位置和信号发出的时间。我们手机在利用信号到达的时间计算出卫星和手机的距离。收到多颗卫星发出的信号并计算出距离后，手机就可以利用几何数学关系确定我们所在的位置。

如果卫星信号的发出时间是卫星的真实测量到的时间，那么这个方法就会失效。因为来自太空20000千米，时间流逝得比地面上每天快40微秒，所以卫星必须要对此做出修正。卫星只能用自带的原子钟测量时间，它比地面时钟走得慢一些，调整到地球表面的时间流逝速率一致，并将这个时间信号发到我们手机上。

下期预告：人们对太空的好奇，希望能够看得越来越远。望远镜的出现和相关技术的发展，为人类开启了宇宙更远更美的一扇窗。下期题目为“望远镜的故事”，主要介绍望远镜发展历程及所涉及到的文化，包括“伽利略”望远镜、“牛顿”反射镜、“山顶”望远镜，以及“韦伯”望远镜等等。