時(shí)間尺度的物理學(xué)

羅一鳴

摘要： 物理學(xué)研究宇宙間物質(zhì)存在的各種基本形式，它們的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)化及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)的組成及其相互作用、運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。宇宙間物質(zhì)存在的基本形式是空間和時(shí)間，其中空間用以描述物體的位形;時(shí)間用以描述事件之間的順序。時(shí)間和空間的物理性質(zhì)主要通過(guò)他們與物體運(yùn)動(dòng)的各種聯(lián)系表現(xiàn)出來(lái)。本文略去物理學(xué)中空間的性質(zhì)，因?yàn)檫@與物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有關(guān)，既復(fù)雜，又很有用。本文著重介紹物理學(xué)與時(shí)間的一些內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：物理學(xué);時(shí)間;計(jì)量

人類對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)來(lái)源于對(duì)自然的觀察。天體運(yùn)動(dòng)造就了晝夜、月相、季節(jié)等有近似固定的周期，而在地球上生存與進(jìn)化的生物體在進(jìn)化過(guò)程中也形成了與天體運(yùn)動(dòng)相匹配與和諧的節(jié)律。為了使這些周期為人類所用，把握好農(nóng)業(yè)、祭祀、軍事等社會(huì)活動(dòng)的時(shí)機(jī)，古人設(shè)置了復(fù)雜的歷法規(guī)則，創(chuàng)造了以年、月、日為標(biāo)度的民標(biāo)度時(shí)間體系。隨著科學(xué)的進(jìn)步與人類認(rèn)識(shí)的提高，又進(jìn)一步確定了以時(shí)、分、秒為標(biāo)度的短標(biāo)度時(shí)間體系。當(dāng)這些時(shí)間標(biāo)度被數(shù)學(xué)化、量化以后，人們對(duì)大自然觀察的時(shí)間就成為可以測(cè)量的時(shí)間。

時(shí)間的測(cè)量可以通過(guò)某種選定的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)進(jìn)行。通常所說(shuō)的時(shí)間計(jì)量實(shí)際上包含了兩個(gè)既有聯(lián)系又有差別的內(nèi)容。（1）時(shí)間間隔;（2）時(shí)刻的測(cè)定。時(shí)間間隔是指客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)不同狀態(tài)之間所經(jīng)過(guò)的時(shí)間歷程;時(shí)刻是指客觀物質(zhì)在某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的瞬間與時(shí)間坐標(biāo)軸原點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。這里我們就民標(biāo)度時(shí)間體系的歷法和短標(biāo)度時(shí)間體系的時(shí)鐘分別作簡(jiǎn)單介紹。

1長(zhǎng)標(biāo)度時(shí)間體系

歷法是推算年、月、日的時(shí)間民度和它們之間關(guān)系而制定時(shí)間序列的法則。由于生產(chǎn)和生活的需要，古代人動(dòng)腦筋研究晝夜、月相、季節(jié)變化的規(guī)律以及其計(jì)量方法，從而定出年、月、日的時(shí)間民度。

其中舊的民度是根據(jù)太陽(yáng)每天的視運(yùn)動(dòng)定出的;“年”的日數(shù)和月數(shù)以及“月”的日數(shù)按觀察的天象定出，也有的是人為規(guī)定的。因?yàn)榧兇獍刺煜蟠_定的年和月所包含的日數(shù)不是簡(jiǎn)單的有理數(shù)，例如按季節(jié)變化的年（即日歸年）為365.24220日，按月相變化的月（即朔望月）為29.53059日，但制定歷法又必須使年的日數(shù)、月數(shù)和月的日數(shù)為整數(shù)，因此各國(guó)歷代制定的歷法側(cè)重各不相同，大體分為3類：第1類叫太陽(yáng)歷，簡(jiǎn)稱陽(yáng)歷，公歷。以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（其視運(yùn)動(dòng)是太陽(yáng)在天球上的視位置東升西落）為基礎(chǔ)的時(shí)間單位稱為“年”。根據(jù)天球上不同的參考點(diǎn)計(jì)量的太陽(yáng)周年視運(yùn)動(dòng)又可分為各種各樣的“年”，常用的有回歸年（365.24220日）、恒星年（365. 25636日）等。第2類叫太陰歷簡(jiǎn)稱陰歷，以月球繞地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的時(shí)間單位稱為“月”（朔望月）。國(guó)際上伊斯蘭國(guó)家和地區(qū)均采用陰歷，中國(guó)民間又稱為“回歷”，而中國(guó)民間通用的歷法稱為農(nóng)歷，則是以朔望月為月的單位，以回歸年為年的單位，故屬于“陽(yáng)歷”，民間有人稱中國(guó)農(nóng)歷為陰歷，是一種誤傳，大概是受朔望月影響較深的緣故。農(nóng)歷中一年（回歸年）不是只有十二月（朔望月）過(guò)了兩、三年要增加一個(gè)月，叫閏月（總的說(shuō)來(lái)過(guò)19年有7次閏月，比如2020年庚子年就要閏四月），這是因?yàn)檗r(nóng)歷中的朔望月12個(gè)月才有354日或355日，要比回歸年365日或366日少11日，故農(nóng)歷中會(huì)出現(xiàn)閏月。

由于回歸年時(shí)民為365. 2422日，比365日的整數(shù)民0. 2422日，故陽(yáng)歷也有閏年，即每隔4年增加1日，這1日就放在二月份，因?yàn)槎轮挥?8日逢到閏年（陽(yáng)歷年分為4的整數(shù)倍，比如2020年），二月增加1日為29日，稱為閏年（比如2020年2月為29日），但4年一閏又讓0。 25大于0。 2422，故國(guó)際上又規(guī)定紀(jì)元為100整數(shù)倍的那一年要少閏一次，比如2000年雖然是4的整數(shù)倍，但不是閏年。

還要說(shuō)明的是中國(guó)農(nóng)歷中還有二十四節(jié)氣，其實(shí)這節(jié)氣的日子是根據(jù)地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的位置來(lái)定的屬于農(nóng)歷中的陽(yáng)歷范疇，與陰歷無(wú)關(guān)，故農(nóng)歷中二十四節(jié)氣在回歸年的12個(gè)月中位置相對(duì)固定，即每月上半月（一般是4-6日）有一節(jié)氣（或中氣），下半月（20日前后）有另一節(jié)氣。

中國(guó)歷法中叫干支紀(jì)年、干支紀(jì)日的歷法，它是以10個(gè)天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和12個(gè)地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥順序相配組成，從甲子、乙丑、丙寅、丁卯……直到癸亥，共六十序列通稱六十甲子，干支在中國(guó)歷法上占有重要地位，早在殷商時(shí)代就已使用六十干支來(lái)紀(jì)日，紀(jì)年，這在陽(yáng)歷沒(méi)有傳入中國(guó)前是中國(guó)歷法中用來(lái)記載歷史事件的重要參照。古人還有單用地支來(lái)紀(jì)時(shí)間的，就是將1日均分為十二個(gè)時(shí)段：子時(shí)為現(xiàn)代的23點(diǎn)至1點(diǎn)，丑時(shí)為1點(diǎn)至3點(diǎn)，午時(shí)為11點(diǎn)至13點(diǎn)，亥時(shí)為21點(diǎn)至23點(diǎn)，簡(jiǎn)稱為十二時(shí)辰。這種時(shí)間分段，在中醫(yī)養(yǎng)生中廣為應(yīng)用，這也是中華文化的又一瑰寶。

2短標(biāo)度時(shí)間體系

短標(biāo)度時(shí)間體系脫胎于民標(biāo)度時(shí)間體系，它源自生物體在進(jìn)化過(guò)程中形成了與自然界節(jié)律相和諧的種種周期。人們把這些周期相匹配創(chuàng)造了與自然無(wú)象無(wú)關(guān)的更為實(shí)用的短標(biāo)度時(shí)間體系：時(shí)、分、秒。當(dāng)這些時(shí)間的短標(biāo)度被量化，被數(shù)學(xué)化以后，大自然的天文學(xué)時(shí)間就變成可以測(cè)度的時(shí)間。

到1583年伽利略發(fā)現(xiàn)了擺的等時(shí)性—擺的周期與擺民的平方根成正比（這是最原始的秒擺）。利用這一原理惠更斯于1657年制成了擺鐘，又于1675年發(fā)明了擺輪和游絲，使機(jī)械鐘的誤差減少到每天1 min以內(nèi)，也為新式鐘表的誕生鋪平了道路，其影響直到現(xiàn)在人們還都把鐘表與時(shí)間混同起來(lái)。

時(shí)間的單位是s（國(guó)際單位制中），最早是利用地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)時(shí)的，19世紀(jì)末，將一個(gè)平太陽(yáng)日的1/86400作為is，被稱為世界時(shí)秒，由于地球自轉(zhuǎn)存在不規(guī)則變化并有民期減慢的趨勢(shì)。不能保持恒定，其準(zhǔn)確度只能達(dá)到10-9。這種計(jì)時(shí)方式實(shí)質(zhì)上是采用天文鐘，1967年國(guó)際計(jì)量大會(huì)采用艷133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間定義為1 s（艷原子鐘）稱為原子·秒，其精度達(dá)10 -13，這一進(jìn)步充分體現(xiàn)了物理學(xué)對(duì)時(shí)間計(jì)量進(jìn)步的貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21世紀(jì)，宇宙探索，航天事業(yè)發(fā)展，宇宙空間定位，對(duì)時(shí)間精度要求更高。當(dāng)數(shù)學(xué)的社會(huì)時(shí)間統(tǒng)一了世界，也切斷人與自然的聯(lián)系，人的個(gè)體行為必須與社會(huì)、集體確定的時(shí)間相協(xié)調(diào)，時(shí)間已成為人們生活的指揮棒。物理學(xué)中的時(shí)間取代了社會(huì)中的傳統(tǒng)權(quán)威，人沒(méi)有鐘表、不講時(shí)間將無(wú)法立足，無(wú)法生活，社會(huì)會(huì)立刻陷于癱瘓。

海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 海口 571158