談 談 北 京 時 間

華興恒

(安徽省靈璧縣黃灣中學,安徽靈璧 234213)

“嘀,嘀——,嘀,剛才最后一響,北京時間12點正.”大多數(shù)人對這種聲音都非常熟悉,并且通過它不止一次地矯正自己攜帶的手表、手機等計時工具.那么北京時間是北京的時間嗎?它是怎樣確定的?又是從什么地方發(fā)出的?為了使大家弄清楚這些問題,下面予以簡單的介紹.

1 時間基準的演變

時間表征物質(zhì)運動的持續(xù)性,時間的計量主要是一個計數(shù)的過程.凡已知其運動規(guī)律的物理過程,都可以用來作時間的計量,通常采用能夠重復的周期現(xiàn)象來計量時間.那么選用什么樣的時間基準來計量呢?長期以來,人們一直在尋求著這樣的時間尺度.

在遠古時期,日出而作,日沒而息,人類是以太陽東升西落作為時間的尺度;公元前二世紀,人們發(fā)明了地平日晷,一天差15 min;1 000多年前的希臘和我國的北宋時期,能工巧匠曾設計出水鐘,精確到每日誤差為10 min;600多年前機械鐘問世,并把晝夜分為24 h;到了17世紀,單擺用于機械鐘,使計時精度提高近100倍;到了20世紀的 30年代,石英晶體振蕩器出現(xiàn),對于精密的石英鐘,300年只差1 s.

從17世紀以來,天文學家們以地球自轉(zhuǎn)和世界時作為時間尺度:當?shù)厍蚶@軸自轉(zhuǎn)1周,地球上任何地點的人連續(xù)兩次看見太陽在天空同一位置的時間間隔為一個太陽平均日.1820年法國科學院正式提出,把一個太陽平均日分為24等分,每一等分的時間長度稱為一個世界時,一個世界時的或一個平均太陽日的稱為世界時的1 s.

太陽系的各種運動中,能夠準確觀察以用作時鐘的有:地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),月球繞地球的公轉(zhuǎn),木星和金星繞太陽的公轉(zhuǎn),木星的四個衛(wèi)星繞木星的公轉(zhuǎn)等.研究發(fā)現(xiàn),根據(jù)上述九種運動所作的時鐘有八種是互相一致的,不一致的只是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)所作的時鐘.主要原因是地球自轉(zhuǎn)的速率在改變,趨勢為漸漸變慢.引起地球自轉(zhuǎn)變慢的原因是多方面的,如潮汐摩擦、季節(jié)性變化、兩極冰山的融化,地球上其它很大的質(zhì)量遷移等.這一切都說明,地球的自轉(zhuǎn)不是一個理想的時間尺度.

隨著人們對微觀世界認識的深入發(fā)展,以及對微波技術的進一步掌握,這就有可能利用某些分子或原子的固有振動頻率作為時間的計量基準.1953年是時頻科學的一個新的里程碑.世界上第一臺原子鐘在美國哥倫比亞大學由三位科學家研制成功,其中有一位科學家是中國人,他就是王天眷先生.后來王先生回到祖國,多年來一直從事我國的頻標事業(yè).近年來已制成了大量的原子鐘,它們的精度分別達到10-9s和 10-10s以上.1967年第13屆國際計量大會決定采用銫原子鐘作為新的時間計量基準,定義1 s的長度等于與銫133原子基態(tài)兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射周期的9192631770倍.這個躍遷頻率測量的準確度達到10-12～10-13s.

社會在進步,科技在發(fā)展,人類對新的時間基準的研究仍在繼續(xù),不久的將來,噴泉鐘或光頻標完全有可能取代目前的微波頻標,成為新一代的時間頻率基準.

2 北京時間的確定

通過上面的分析可知,銫原子鐘的研制成功,大大地提高了時間計量的精度,但它對世界時提出了嚴峻的挑戰(zhàn).如1987年12月31日這天不是正常的 86 400 s,而是86 401 s,怎么多出了1 s呢?原來這是地球的自轉(zhuǎn)逐漸變慢,使得原子時的時刻每年要比世界時的時刻大約超前0.8 s.從1958年到現(xiàn)在已超前24 s多,怎樣解決這一問題呢?科學家們定義了一個新的計時系統(tǒng),稱為“世界協(xié)調(diào)時”,簡稱協(xié)調(diào)時.協(xié)調(diào)時采用原子時的秒長作為基本計量單位,用這種方法計量的時值仍保持原子時高度精確的特點;同時又盡量采用世界時的時刻.通過設置“閏秒”的方法解決這一問題.即在適當?shù)臅r刻加上1 s(正閏秒)或減去1 s(負閏秒),使協(xié)調(diào)時的時刻始終等齊世界時時刻.讓協(xié)調(diào)時時刻與世界時時刻之差不超過±0.9 s.

每當太陽當頭照的時候就是中午12點,但不同地方看到太陽當頭照的時間是不一樣的.例如,上海已是中午12點時,俄羅斯的莫斯科要5個小時后才能看到太陽當頭照;而澳大利亞的悉尼早已是下午的2點鐘.所以如果各地方都使用當?shù)氐臅r間標準,將會給人們的生活等帶來很多不便.為了克服這個問題,天文學家將地球經(jīng)度線每隔15度劃分成一個區(qū)域,這樣一共有24個區(qū)域,并且規(guī)定相鄰區(qū)域的時間相差1小時.在每個區(qū)域內(nèi)都采用統(tǒng)一的時間標準,稱為“時區(qū)”.實際上由于一個國家或一個省份同時跨過2個時區(qū)或更多時區(qū),為了照顧到行政區(qū)管理上的方便,常把一個國家或一個省份劃在一起.所以時區(qū)并非嚴格按南北經(jīng)線來劃分.例如我國幅員遼闊,從新疆的喀什渴爾河上游到黑龍江的烏蘇里江,差不多橫跨五個時區(qū),但實際上只用東八區(qū)的時間即北京時間為準.可見“北京時間”并不是北京地方的時間,而是東八區(qū)即東經(jīng)120度的地方,也就是距北京以東約340 km處的地方時間.北京地方的時間要比“北京時間”晚16分鐘左右.北京時間是我國行政管理、生產(chǎn)、交通運輸?shù)裙ぷ鞯臅r間計量標準.如果沒有統(tǒng)一的時間標準,將會使整個社會的工作、生產(chǎn)秩序處于一片混亂,其后果可想而知.

解放前我國的時間標準極其混亂.由于幅員寬廣,舊社會分別采用了5個時間標準,即中原時區(qū)、隴蜀時區(qū)、新疆時區(qū)、長白時區(qū)、昆侖時區(qū).由于時區(qū)不同,所在地的時間也不一樣,這對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是商貿(mào)經(jīng)濟等方面帶來了極大的不便.解放后,經(jīng)周恩來總理提議,經(jīng)全國人大批準,我國采用距離首都北京較近的東經(jīng)120度地方的時間即東八區(qū)的時間作為全國的時間標準,統(tǒng)稱“北京時間”.

3 北京時間源自何方

“北京時間”并不是北京地方的時間,那么“北京時間”又是從哪里發(fā)出的呢?是北京嗎?當然不是.“北京時間”是從我國的時間城即“國家授時中心”發(fā)出的.

我國的時間城位與陜西省中部某縣的西部.20年前時間城屬于絕密單位,當時駐有一個營的兵力.直到1989年10月,守兵才撤營建連,原來的多崗值班也改為兩崗值班,只在時間城大門口和原子鐘房各設了一道崗.

1967年第13屆國際計量委員會決定,把在海平面上實現(xiàn)的銫原子時秒規(guī)定為國際單位制時間單位.原子時起點定在1958年1月1日10時,即規(guī)定在這一瞬間,原子時和世界時重合,這就需要各國建立自己的原子鐘提供發(fā)播時間,即“授時”.

當時美國、前蘇聯(lián)等世界發(fā)達的國家已建立了自己完整的授時中心,我國只是在上海有一個功率極小的由法國天主教士在20世紀20年代建立的無線電授時臺,不僅發(fā)射的時間信號精度不高,而且覆蓋面積也很小.有時,我國只好頗為尷尬地接收前蘇聯(lián)發(fā)播的時間,這對發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)極為不利,尤其是對現(xiàn)代戰(zhàn)爭和國防建設.

1966年,我國科學院經(jīng)過近一年的勘測,報請周總理親筆批示:同意在陜西省中部建立“國家授時中心”.授時中心選在陜中而不是建在北京主要有以下幾個原因:一是陜中地處大陸腹地,離我國大地原點僅50 km,發(fā)射的時間信號容易覆蓋全國;二是當?shù)氐牡刭|(zhì)構造穩(wěn)定,授時中心因地震等災難被毀壞的系數(shù)小;三是當時適逢“文化大革命”,國際局勢也動蕩不安,建立在內(nèi)陸閉塞的地方比較安全.1968年10月,國家授時中心建成.

國家授時中心有6臺小銫鐘(5071銫鐘組),組成我國地方原子時尺度,其穩(wěn)定程度為10-14s.授時中心通過短波授時臺和長波授時臺等授時系統(tǒng),每時每刻發(fā)播著“北京時間”.利用電視或收音機傳送北京時間一般采用兩種方法:一是“有源傳送”,在演播室放一個原子鐘,與授時中心同步,直接把原子時信號發(fā)送出去,中央電視臺就是利用這種方式來傳送時間的.另一種是“無源傳送”,演播室不放原子鐘,在不干擾正常節(jié)目廣播的情況下,利用電視或收音機中某個脈沖作為對比時間的參考標準,應時發(fā)送時間,像中央人民廣播電臺就是利用這種無源傳送的方式來發(fā)送時間的.二種方式提供的時間與時間城內(nèi)的原子鐘都是同步的,30萬年誤差不到1 s.

4 時間應用的廣闊前景

時間和長度、質(zhì)量一樣是三個基本物理量,時間計量對生活、生產(chǎn)、科學研究等人類一切活動都有著最基本的意義.我們?nèi)粘Ｉ钪袑r間的精度要求并不高,不會把“發(fā)車”時間精確到幾分幾秒,但對衛(wèi)星或宇宙飛船的發(fā)射和測控就不同,它需要與時間城同步的時間,而且精確程度要求也非常高.要用精密時間作為基本物理量,精密時間以其完美的線性和連續(xù)性顯示出繽紛的客觀世界的理性,成為人類認識世界和改造世界的科學武器.精密時間不僅在基礎研究領域有重要作用,而且在應用研究、國防和國民經(jīng)濟建設中也有普遍的應用.如航空航天、航空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、信息高速公路、地質(zhì)測繪、導航通信、電力傳輸和科學計量等方面.宇宙飛船的位置是靠地面各個監(jiān)測站通過測量發(fā)向飛船的無線電波信號返回地面的時間計算的,如果監(jiān)測站的時鐘之間哪怕相差只有幾億分之一秒,就可能造成飛船偏離正確的軌道,無法返回預定的地點.因此各個監(jiān)測站的時鐘都要和時間城的原子鐘同步.

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展,對高精度時間提出了更高的要求,特別是現(xiàn)代數(shù)字通信網(wǎng)的發(fā)展、信息高速公路建設,各種政治、文化、科技和社會信息的協(xié)調(diào)都是建立在嚴格的時間基礎上的.所以時間的應用有著無比廣闊的前景,其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科技生活中的地位也越來越重要.