时间计量方式的发展与未来

伤我心太深

时间可以通过周期性运动的物理去计量它。时间计量是研究计量时间的科学，在时间间隔意义上，时间计量已从天文学领域过渡到物理学领域，但是在日期这一意义上，时间计量依然是同天文学有关，时间计量是自然科学的一部分，具有很长的历史，我们根据时间计量发展顺序，逐步引入世界时，历书时和原子时等时间测量概念，在计时仪器上，从古代的日晷，刻漏，发展到近代的机械钟表，直到现代的石英钟和原子钟。

年的由来

　　在人们的现代生活中，对于较长的时间间隔，例如追忆往事或计划将来，往往以“年”为单位。我们今天对“年”已经习以为常了。但是，人类认识这一周期并把它组织成适用的时间单位，却花去了科学史上上千年的时间。虽然目前科学史家还不能确切地说明年这个概念产生的具体年代，但有一点可以肯定，即它一定是随着农业社会的发展而出现的。
　　因此，我们可以认为原始人类认识年，最早不是根据天象，而是根据大地上各种自然现象：河水泛滥，草木枯荣，鸟兽迁徙，寒暖交替等等。即使在今天，农民朋友根据这些自然现象判断季节，相差还不会太大。这些自然现象统称为“物候”。古人在大量直观观察基础上，思考这些物候的变化规律，逐步形成了“年”的概念。

月份

李白（701?762年）在《把酒问月》中写到：

青天有月来几时，我今停杯一问之。
人攀明月不可得，月行却与人相随。
皎如飞镜临丹阙，绿烟灭尽清辉发。
但见宵从海上来，宁知晓向云间没。
白兔捣药秋复春，嫦娥孤栖与谁邻。
今人不见古时月，今月曾经照古人。
古人今人若流水，共看明月皆如此。
唯愿当歌对酒时，月光长照金樽里。

　　月亮的升落，以及它的圆缺变化是人类最早认识的天象之一。每月初一、三十，完全看不到月亮，这就是“朔”。十五前后月亮最圆，称为“望”。人们注意到朔、望变化具有相当准确的周期，由此产生了朔、望月概念。所谓朔、望月，约等于29--30天。朔望月的出现是人类继“日”之后认识的又一个时间周期，从原始计时单位“日”发展到更长的时间单位“月”，标志着人类对于时间的认识和测量又向前迈进了一步。现代观测表明，较为准确的朔望月长度约为29.5306天。请记住这个数字，它是阴历中区分大小月的依据。

干支计日

　　中国是古人类最早发源地之一。中国最古的文字是殷商时代的甲骨文。它是刻在乌龟壳和牛胛骨上的一些神秘的花纹。通过考察所出土的甲骨文表明，早在三千多年以前，我们的祖先就已经用一种叫做“干支”的方法来记日了。干指天干。它由“甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸”十个字组成。支是地支。它用“子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、酉、戌、亥”十二个字表示。一个天干配上一个地支，就组成一对干支。
　　干支记日的顺序是：以某一天为甲子，第二天就是乙丑，第三天就是丙寅，以此类推，第六十一天又回到甲子。只要选取某一天为开头，以后的日子就都可以称呼了。这种方法虽然简单，但它出现在三千多年以前的殷代，不能不说是一大创造。据史料记载，我国从春秋时期鲁隐公三年(公元前722年)二月己巳日起就开始连续记日，直到清代宣统三年(公元l911年)止，共二千六百多年，这是迄今所知世界上最长的记日资料。干支还被用来记月，但时间不长就废止了。用干支记年大约始于东汉初期，以后从未间断过。直到今天，例如2008年，我国的日历上还印有“戊子年”字样。这就是说，公元2008年，农历是戊子年。
　　干支表
　　六十干支表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
甲子 乙丑 丙寅 丁卯 戊辰 己已 庚午 辛未 壬申 癸酉
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
甲戌 乙亥 丙子 丁丑 戊寅 己卯 庚辰 辛已 壬午 癸未
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
甲申 乙酉 丙戌 丁亥 戊子 已丑 庚寅 辛卯 壬辰 癸已
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
甲午 乙未 丙申 丁酉 戊戌 己亥 庚子 辛丑 壬寅 癸卯
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
甲辰 乙已 丙午 丁未 戊申 己酉 庚戌 辛亥 壬子 癸丑
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
甲寅 乙卯 丙辰 丁已 戊午 己未 庚申 辛酉 壬戌 癸亥

时辰

　　在我国又有百刻制和十二时辰之分。 所谓百刻制，就是将一天划分为一百等分。而十二时辰则是把一天划分为子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、酉、戌、亥十二个小段。每小段又划分为初、正两部分，如子初、子正等。
　　十二时辰与24小时对照表：

星期

　　公历中还有一种短于月而长于日的时间划分??星期制。它以七天为周期循环纪日。“星期”的概念体现了不同民族的文化的奇特结合。以七天为周期划分时间，最初大概是来源于对月亮的观察。月亮是夜空中最引人注目的天象。古人很早就发现朔望周期。一个朔望月约有29.5天，朔时看不到月亮的时间大约为一天，其余二十八天中都能见到月亮。古人为了短期记日，把见月的二十八天四等分，似乎就是顺理成章的事了。
　　第一次给七天中的每一天以专门名称的是巴比伦人，他们以当时所能看到的主要天体来命名它们。太阳最使人们关注，它被用来命名七天中的第一天；月亮次之，然后顺序是火星、水星、木星、金星和土星。只是到了这个时候，才出现今天所说的“星期”。所谓星期，顾名思义，指的是星星到来的日期。就是说，知道了某一天的代号的星，便可知道它是哪一天。

历法

　　现在世界通用的历法是格里历，又叫做公历。公历是怎么来的?它是在古罗马历法基础上发展起来的，而古罗马历法又是从埃及继承过来的。

　　儒略历把一年的长度取为365.25天，同精确的回归年长度(365．2422)天相差0．0078天。这个差数虽然很小，十年、八年中间不大容易反映出来，但成百上千年地累积下去就很可观了。简单的数学计算可知，经过128年，儒略历就会超前回归年一整天。

　　格里历的编排方法是：取一年长度为356.25天，一年分成12个月，大约31天，小月30天，2月份为28天。它设置闰年：每4年1闰，闰年时2月份为29天，但每逢百年能被400整除时，才作为闰年。格里历与儒略历衔接得很好，它提供了一个既具有必不可少的精度，又具有人们所希望的简单易行的优点，为世界上越来越多的国家所接受，以致变成现在世界通用的所谓“公历”。

秒定义

　　人们最早选定的时间标准是以地球对太阳公转与自转为基础的，称为世界时。它规定一个平太阳日的86400分之一为1秒，即天文秒。后来发现，地球自转速率并不均匀，它的精确程度约3年差一秒。经过长期观测修改后产生了运行更均匀的历书时，其精确度是30年差一秒。
　　1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：“秒是以铯-l33，原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射的9，192，631，770个周期的持续时间。”原子时的时刻起点为l958年1月1日0时。
　　国际原子时的稳定性是由分布于世界各地、隶属于几十多个国家的数十家实验室的原子钟定期比对来保证的。这些原子钟的比对是通过罗兰-C系统、GPS系统、卫星双向系统进行的。比对的不确定度根据比对方法的不同而不同，但都小于0.1微秒。

世界时

　　通过天文观测地球自转的周期，可以定出的太阳日被称为视太阳日。将视太阳日均分为86，400等份，每一份便是时间单位“秒”。但从全年来看，这个时间单位的值仍然是变化的。为了得到全年一致的时间单位值，历史上曾经有这样的做法：把全年的视太阳日加起来，再取平均就得到一个平太阳日，然后均分为86，400等份，每一份便是时间单位秒。简单说来就是按年观测取平均，然后得到秒。19世纪末，美国天文学家纽康引进“假太阳”测定平太阳时。天文学界规定：在英国格林尼治测定的地方平太阳时叫做世界时。
　　世界时（UT）的秒定义为：1秒等于平太阳日的86，400分之一。

历书时

　　1960年第十一届国际计量大会决定采用：根据地球公转周期获得的历书时（ET），历书时的秒定义：“秒为1900年1月0日历书时l2时起算的回归年的31，556，925.9747分之一”。简单说来就是多年观测来确定秒。由于科学技术的发展，尤其是稳定、准确的石英晶体振荡器和石英钟的出现并用于守时，人们发现地球的自转是不均匀的，在不同的年度得到的世界时秒长并不一致，于是便出现了历书时和原子时。

原子时

　　随着量子理论和电子学的发展，人们认识到，原子或分子振荡的周期相当稳定，远远超过世界时和历书时所依据的天文标准，若用其来定义秒，可以使秒的精度大大提高。利用原子振荡频率确定的时间标准称为原子时。

协调世界时

　　协调世界时的秒长与原子时一致，而时刻则是利用闰秒协调来与世界时保持一致的(两者的时差控制在±0.9S 以内)，这就可以满足各方面的需要了。从1972年起，世界各国的标准频率和时号发播台都正式播发协调世界时。l974年国际上确定把协调世界时作为国际的法定时间。

闰秒

　　我们知道，原子时由原子钟提供，它的秒长十分稳定，但它的时刻没有具体物理内涵。而世界时则恰好相反，它的秒长实际上并不固定，但它的时刻对应于太阳在天体中的特定位置，这不仅与人们日常生活密切相关，而且在地面定位、飞机和舰船导航中、大地测量、天文导航和宇宙飞行体的跟踪测量等领域，都需要知道世界时时刻；而精密校频等物理学测量，则要求有均匀的时间间隔，即需要稳定的原子时秒，于是就出现世界时和原子时如何协调的问题。国际无线电咨询委员会(CCIR)在1971年确定了协调方案:

　　(1)从1972年1月1日O 时起，频率调偏值取为零，这就保证了UTC秒长和原子时秒长的一致．
　　(2)当原子时与世界时的时刻之差接近O.9s时，可以对UTC时号发播时刻实施一个整秒的阶跃，阶跃的这一秒称为闰秒。凡增加1 s(即推迟1 s)称为正闰秒，减少l S(即提前1 s)称为负闰秒。
　　(3)实施闰秒的时间只能在12月31日和6月30日UTC的最后1 s上进行。一个正闰秒在23时59分60秒结束后才是下一月第一天的00时00分00秒，而一个负闰秒则在23时59分58秒以后接下来的1 秒就是下月第一天的00时00分00秒。

　　闰秒调整，需要全球统一行动。

　　即将于北京时间2009年元旦7时59分59秒进行的闰秒调整（加入1秒），将使国际原子时与世界协调时的偏差达到34秒，也就是国际原子时相比世界协调时，将由2006年元旦闰秒调整后的快33秒，增大到快34秒。

区时

　　19世纪70年代后期，加拿大铁路工程师弗莱明建议,在全世界按统一标准划分时区，实行分区计时。这个建议首先在美国和加拿大被采纳试行，后为多数国家所采用。1884年华盛顿国际子午线会议决定，将这种按全世界统一的时区系统计量的时间称为区时，又称标准时。

　　世界时区的划分，是以本初子午线为标准的。从西经7.5度到东经7.5度（经度间隔为15度）为零时区；从零时区的边界分别向东和向西，每隔经度15度划一个时区，东、西各划出12个时区；东十二时区与西十二时区相重合。全球共划分成24个时区。各时区都以中央经线的地方平时为本区的区时。相邻两时区的区时相差一小时。时区界线原则上按照地理经线划分，但在具体实施中，为了便于使用，往往根据各国的政区界线或自然界线来确定。目前，全世界多数国家都采用以时区为单位的标准时，并与格林威治时间保持相差整小时数。

格林尼治时间

时间测量的极限

　　任何有周期的运动都可以作为时间测量的标准。华人叶军的研究小组，与2006到2007年，做成一台世界上最准确??每7000万年仅误差1秒的锶原子光钟，精度超过了目前存放于美国国家标准和技术局的铯原子钟，并有望取代铯原子钟成为世界新的计时标准。
　　在时间的长河里，1秒只不过是时钟里简单的一声“滴答”。但对物理学家来说，对这一“滴答”声的定义和测量却走过了漫长路程。时间测量的精度是在不断提高的。
　　1350年，第一座机械闹钟出现在德国。1583年，伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关，这是时钟历史上的一大进步。1656年，荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟，从此，时钟误差可以秒来计算。到1762年，最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精度。1945年，美国纽约哥伦比亚大学物理学家拉比提出用原子束磁共振技术来做原子钟的概念。1948年，美国国家标准和技术局NIST用氨分子作为磁振源，制成了世界上第一台原子钟。1952年，NIST制成第一台铯原子钟，将之命名为NBS-1(是以当时的美国国家标准局〈National Bureau of Standards〉命名，简称NBS)，这一命名规则一直延续到1975年的NBS-6。现在存放于NIST的铯原子钟为NIST-F1，精度为3000万年差一秒。

守时

　　在实际使用中需要经常不断地知道准确的时刻。所以就需要把时间“保存”起来，这样，在随时用得着的时候就会知道准确的时刻。这种通过原子钟组来保持、优化、计算、比对，获得很高稳定性时间的过程就叫作守时。守时工作的好坏与原子钟资源、守时算法、比对技术密切相关。
　　原子时(包括协调时)是由原子钟组成和保持的。由于受原子钟使用寿命、稳定度，准确度和复制性各因素的限制，实际上也往往是用多台原子钟来构成原子时。常常用作为基准使用的大铯钟或氢原子钟，逐日校准一组作为工作钟使用的铷原子钟来构成原子时及其守时系统。也有用多个小铯钟组成钟组来构成原子时系统的。原子钟的精度决定着它所给出的原子时的精度。中国科学院国家授中心负责国家时间频率基准的守时。它的原子时TA(NTSC)和协调世界时UTC(NTSC)由铯原子钟和氢原子钟组成的钟组经精密对比和计算后实现，并通过卫星双向法比对和GPS共视法比对与国际时间标准相联系，对国际原子时TAl和UTC的稳定保持做出贡献。目前，TA(NTSC)的稳定度优于5E-15/日，UTC（NTSC）的准确度优于1E-14，UTC(NTSC)与协调世界时UTC的偏差小于50ns。

时间比对

　　时间比对是指将两地时钟设备进行同步测量，从而给出它们之间的时间差。采用时间比对技术可以完成标准时间的传递、同步校准。
　　时间比对可以采用直接搬运原子钟法，也可以采用通过载体（长波、短波、电视、微波、卫星、网络、电话等）进行比对。


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