关于时间的杂七杂八

2013-06-01 Saturday     misc

一篇引用的文章,忘了从哪里引用的了。

时间是一个基本物理量。时间测量渗透于人类活动、科学实验和国家建设的各个领域,在社会发展的各个历史时期都受到科学技术界和国务活动家们的重视。事实上,它是国计民生的一项基本工程,任何一个大国都拥有自己独立的、并力图保持同时代最好水平的时间标准和服务系统。在向信息化时代迈进的今天,人们的日常生活正处在时间的 “包围” 之中。各类定时器、计算机、数据传输、电话传真 … …,哪一样都离不开精确的时间。国家活动的许多系统和部门,例如通信、电信、定位、导航、测绘等,其活动效率和质量,在很大程度上依赖于高精度时间服务保障。一个明显的例子是:如果时间测量精度不能突破微秒(百万分之一秒)量级的限制,那么便不可能有今天的全球卫星定位系统,地球物理学将很难获得今天空间测量所提供的精细信息,当然也就不可能有今天这样准确的卫星气象预报和精密制导的远程武器系统。

时间标准的沿革

时间是一个连续流逝的物理量。它的测量依靠物质的连续运动。在原理上,任何一个连续运动的物理过程或物理量,都可以表征成以时间为自变量的函数。如果这个运动过程或物理量的变化是可测的,那么我们就可以以它为标准去测量时间。人类在进行时间测量的过程中,总是选取某种周期性运动过程。迄今为止,人类用以测量时间的周期运动过程大体可以分成三类,从而得到了三种科学的时间标准。

转动体的自由旋转。例如地球自转。很久以前,人们认为地球自转运动是均匀的,以它为标准获得的时间标准称为世界时。20世纪60年代之前,世界各国共同采用世界时为时间标准。但是,后来发现地球自转运动并非均匀,通过观测恒星测定地球自转又带有一些难以避免的误差。因此世界时测定精度只有毫秒(千分之一秒)量级,满足不了现代科学技术的应用需要。

天体开普勒运动。即伴星体在引力作用下绕主星体的轨道运动。例如地球绕太阳的运动。天文学家由长期观测发现,虽然地球绕太阳的公转运动速度在一年当中是有变化的,但它公转一周的时间却相当稳定。如果把地球公转周期的若干分之一定义为一秒,这样的秒长或许会相当均匀。国际天文学会联合会正是基于这样的考虑,经过论证,于1956年决定采用以地球公转运动为基础的时间标准,这就是学术界所说的“历书时”,并且规定从1960年开始,历书时取代世界时作为国际时间标准。历书时的秒长在理论上是均匀的,但要得到这样的秒长相当困难,其测定精度比世界时测定精度高不了多少,仍然不能满足现代科学技术发展的需要。

原子谐波振荡运动。当以天体运动为基础的宏观时间标准不能适应科学发展需要的时候,人们的认识又向着另一个方向——微观世界发展,开始了时间测量的又一个新进程。

我们知道,原子虽然很小,但它内部却是一个很复杂的世界。每个原子都有一个原子核,核外分层排布着高速运转的电子。当原子受到X射线或电磁辐射时,它的轨道电子可以从一个位置跳到另一个位置,物理学上称此为“跃迁”。跃迁时,原子将吸收或放出一定能量的电磁波。这类电磁波同单摆一样,是一种周期运动,只是它振荡周期更短、更稳定罢了。既然如此,我们能不能像制造摆钟那样,利用原子的振荡做出原子钟呢?这是20世纪初期物理学家们热烈讨论的问题。到了1953年,英国国家物理实验室率先利用铯原子跃迁振荡运动做出了铯原子钟。此后,其它类型原子钟相继问世。人们习惯上把原子钟确定的时间称为原子时。1967年10月,在印度新德里召开的国际计量大会正式把由铯原子钟确定的原子时定义为国际时间标准。

现代国际时间标准

现代国际时间的计量标准是国际原子时。它的基本单位是秒。一个原子时秒的长度是铯原子跃迁振荡9192631770周所持续的时间。更长的时间单位由秒的累加而得。

国际原子时由设在法国巴黎的国际权度局(BIPM)建立并保持。BIPM分析处理全世界约50个时间实验室的200多台原子钟数据,得到综合时间尺度——国际原子时。中国科学院国家授时中心参与国际原子时的建立。目前,国家授时中心有19台铯原子钟和4台氢原子钟的数据定期传送给BIPM,是对国际原子时的建立和保持作出贡献的主要实验室之一。

原子时秒长稳定,但时刻没有物理内涵。世界时恰好相反,由于地球自转速度逐年减慢、季节性不均匀变化等因素,它的秒长不均匀,但它的时刻对应于太阳在天空中的位置,反映地球在空间旋转时地轴方位的变化。这不仅与人们的日常生活密切相关,而且具有重要科学应用价值。大地测量、天文导航和空间飞行体的跟踪、定位等领域,需要知道瞬间地球自转轴在空间中的角位置,即世界时时刻;而精密校频、信息传输等应用领域,则要求均匀的时间间隔,即需要秒长稳定的原子时。

但是,时间服务部门一般不可能以同一个原子钟为基础发播时号,同时满足性质完全不同的这两种要求。于是就出现原子时和世界时如何协调的问题。

经有关国际学术组织的讨论协商,目前的协调方法是:在1958年初,调整原子钟,使原子时和世界时的时刻一致,然后原子钟运转积累原子时。由于地球自转不均匀,原子时和世界时的时刻差就会增大。当这个差值接近0.9秒时,人为拨动原子钟,使其增加或减少1秒,即实行所谓的“闰秒制”,使原子时时刻始终靠近世界时。这样得到的时间尺度称为“协调世界时(UTC:Coordinated Universal Time)”。从1972年起,协调世界时被确定为全世界的官方时间和国际民用时间标准。

目前,世界各国时间服务部门提供的标准时间,都是协调世界时。

中国标准时间

中国现代时间标准是中国科学院国家授时中心(英文缩写为NTSC)建立并保持的原子时标准,其学术代号记为TA(NTSC),民用时间标准也是由该中心建立并保持的协调世界时,记为UTC(NTSC)。人们通常所说的中国标准时间,就是协调世界时UTC(NTSC)。

中国科学院国家授时中心利用一组原子钟(目前为19台铯原子钟,4台氢原子钟),通过测量比对和算法设计,建立并保持着高精度中国原子时标准TA(NTSC)和协调世界时标准UTC(NTSC),并通过卫星与世界上主要时间实验室保持定期时间对比。

目前,TA(NTSC)和UTC(NTSC)的准确度优于3×10-13,稳定度保持在10-15量级。国家授时中心保持中国协调世界时UTC(NTSC)与国际协调世界时UTC之差已经控制在±50纳秒以内,即\|UTC-UTC(NTSC)|<50ns。目前,在全世界50多个时间实验室中,能达到这样水平的有8个,分别是:美国海军天文台(USNO)、美国标准技术研究院(NIST)、德国物理技术研究所(PTB)、中国科学院国家授时中心(NTSC)、日本国家情报和通信技术研究所(NICT)、英国国家物理实验室(NPL)、瑞士联合实验室(CH)、俄罗斯时空计量研究院(SU)。

为进一步提升时间基准自主保持能力,国家授时中心正在着手研制实验室铯原子喷泉钟,计划2010年建成,秒稳达到1~2×10-13,日稳1~2×10-15,准确度1~2×10-15。

标准时间的传递

建立并保持某种时间标准,通过一定方式把代表这种标准的时间信息传送出去,供应用者使用,这一整套工作,在国外叫时间服务(Time Service),在中国称为授时。授时这一称谓,或许来源于《尚书·尧典》中“乃命羲和。钦若昊天,历象日月星辰,敬授人时”这段文字。

授时有着悠久的历史。它随科学技术的发展而不断进步。

晨钟暮鼓

在生产力低下的古代,人们曾经使用过敲钟和击鼓的方法进行报时。我国许多历史名城至今还保留有古代的钟楼和鼓楼。它们成为印证授时工作发展的历史遗迹。

据史料记载,在古长安,“以钟鼓司晨”由来已久。汉唐时期,长安设有钟楼、鼓楼,以晨钟暮鼓方式报时。在元明清时期,钟鼓报时体制仍得以维持。在古时,没有摩天高楼阻挡,噪声污染甚微,清脆钟声和雄浑鼓声可传20里之远,足可满足一个都市的报时需要。到了民国初年,计时咸用新器,晨钟暮鼓之声遂在西安城消失。

1997年,西安市文物局复制古时景云钟悬于钟楼,重制巨鼓置于鼓楼,在节假日推出“晨钟暮鼓”仿古仪仗表演。为表现西安古城浑厚文化底蕴,或许也是因为现代中国国家授时中心设在西安市临潼区,为彰显西安在我国授时领域历史传承的重要地位,从2007年4月20日起,西安城内的钟鼓楼全面恢复“晨钟暮鼓”报时仪式。每天4次报时:上午9时,正午12时,下午3时,钟楼上的景云钟分别敲响24次以报时;下午6时,鼓楼上的24面时令鼓齐鸣,然后钟击闻天鼓24响以报时。表演沿袭古制进行:古装武士护送鸣钟击鼓手敲钟击鼓。有兴趣的读者不妨旅游西安,实地品评晨钟暮鼓报时的韵味。

落球报时

到了18世纪,航海事业蓬勃发展。海员迫切需要精确时间,以确定船只位置和航行方向。但是,海浪淘淘,难闻敲钟击鼓之声,于是出现“落球报时”。

所谓落球报时,就是人们在重要商埠的码头、港口竖立起高杆,在高杆顶端挂上气球,按约定时刻落下气球,借以向海员报告时间。

今天看来,这种报时方法未免粗疏。但海员对它却怀有崇敬之情。因为它为海员忠实服务近百年之久。

现代授时

20世纪初期,无线电进入实用阶段。1902年,法国首先在巴黎艾菲尔铁塔顶层试验发播短波无线电时号,取得成功。接着,德国、英、美等国相继试验,收到良好效果。于是,一个崭新的无线电授时的时代开始了。

目前,全世界有50多个国家通过短波(或长波)电台每天发播各自的标准时间信号。有些国家还利用卫星、电视和网络系统,开展授时服务。

我国现代授时工作,经国务院授权,由中国科学院国家授时中心(原中科院陕西天文台)承担。国家授时中心的总部设在陕西省西安市临潼区。这里建有国家时间标准实验室,保持着我国的原子时标准和协调世界时标准。发播标准时间信号的长波电台和短波电台位于陕西蒲城县。

我国标准时间的传送方法

1.短波授时

波长在100m~10m,即频率在3MHz~30MHz的无线电波段为短波波段。国家授时中心的短波电台用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz频率全天连续发播我国短波无线电时号,呼号为BPM。短波授时信号覆盖半径超过3000公里,用不同频率交替发播结合覆盖全国疆域。定时精度为毫秒量级。理论上,拥有短波无线电接收机的用户,在任何地方任何时刻都可以收到至少一个频率的BPM时号,不过,短波授时因电离层扰动等因素,信号有时会受到干扰。BPM短波授时台于1970年建成,1997年完成了技术改造。

2.长波授时

千米波段,即频率在30KHz~300KHz的波段,为长波波段。国家授时中心的长波电台呼号为BPL,发射频率为100KHz。它每天定时(北京时间13h30m到21h30m)发播包括标准时间信号和导航信息的编码信号。信号覆盖范围为我国内陆及近海海域,定时精度为微秒量级。用户拥有专用长波定时接收机,便可在规定时间内接收BPL定时信号。

BPL长波授时台于1986年建成并通过国家级技术鉴定,该项成果1988年获得国家科技进步一等奖。目前,对其进行现代化技术改造的工作正在进行,预计2008年完成。届时,新的长波授时系统将为用户提供全天24小时连续服务,并提供时码信息、差分卫星信息等更加丰富的时间和导航信息。

3.低频时码授时

国家授时中心采用68.5KHz频段的连续波时码授时体制的技术,2002年建成BPC低频时码授时台,并试验发播。低频时码授时的特点是利用微电子技术,使用户设备可以做得非常简单且价廉,具有十分广阔的产业化前景。其终端产品之一的“电波钟”被钟表业界称为钟表产业“革命性”的变革,“它的出现开拓了时间计量的新里程,从而将对世界经济的发展产生重大的影响”。

为推动低频时码授时技术发展,考虑到覆盖环渤海和长三角主要经济区的目标,国家授时中心已经着手在河南商丘建设“国家授时中心低频时码连续发播台”。2007年6月,商丘台已经落成并开始试播。地波稳定覆盖半径1000公里,天波覆盖半径3000公里,授时精度±0.1毫秒。试播期间每天白天发8小时,晚上发7.5小时。正式发播后将24小时连续发播。

4.卫星授时

我国目前的卫星授时由北斗卫星导航定位系统承担。该试验系统的时间由国家授时中心标校,与国家授时中心的协调世界时保持一致。

用户拥有与专用卫星信号接收设备,便可通过北斗系统实现卫星定时,定时精度优于微秒量级。

另外,国家授时中心每天定时接收美国全球定位系统GPS的时间信号,测定并在其出版的《时间频率公报》上刊布GPS时间相对于协调世界时的改正值。用户接收GPS时间,利用此改正值,可实现其时钟与我国标准时间的对比,精度可好于微秒量级。

5.电视授时

目前,我国中央电视台CCTV在其电视信号的垂直消隐间隔钟插入由铯原子钟提供的时间信息。国家授时中心对这些信息实施定时监测,即每天在0点和12点整,测量电视时间TS(CCTV)相对于协调世界时的差值,其结果刊布于《时间频率公报》

用户接收CCTV时间信号,加以改正,便可实现定时,精度约为10微秒。

6.网络授时

利用互联网传送标准时间称为网络授时。目前,国家授时中心提供两种计算机网络时间服务:SNTP(Simple Network Time Protocol)校时软件服务和“时间精灵”服务。网络授时精度一般为几十毫秒~几百毫秒。

国家授时中心SNTP校时服务的IP地址是:210.72.145.44。“时间精灵(Timefairy)”实际上一种网页时间校准服务,登陆时间精灵页面http://www.time.ac.cn/times/timefairy.htm即可。

7.电话授时

利用电话网络传送标准时间称为电话授时。目前,国家授时中心通过电话公用网络提供时间服务的方式包括:通过专用电话时码接收机方式;计算机+调制解调器的方式(ACTS);电话语音报时服务。

通过专用电话时码接收机,联入电话线端子,通过拨打国家授时中心的服务专线029-83890342,即可自动获得标准北京时间显示和输出,授时精度10毫秒。

计算机+调制解调器方式又称自动计算机时间服务(ACTS:Auto Computer Time Service)。用户的计算机通过调制解调器与电话线路连接后,在指定网站(国家授时中心“时间”科普网站http://www.time.ac.cn/serve/down.htm )下载专用拨号校时软件NTSCTIME,安装后,通过拨打国家授时中心的服务专线029-83894117,即可同步校准用户本地计算机的时钟,授时精度10毫秒。

国家授时中心语音报时服务服务专线:029-83895117。采用音频脉冲——“嘟”声作为秒信号提示音,使用户极为方便进行校时,报时误差小于1秒。



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