揭开时间的面纱：时间漫谈

昵称535749 2013-02-28

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2013-02-28 00:15:00

作者：紫光山人

时间和时间同步

“时间”是一个即非常古老又现代的概念。随着人类社会的不断发展和进步，人们对时间的认识也在不断深化。时间同步对很多人来说，可能是一个陌生的概念，但是人类的活动离不开统一的时间。这可以说，每个人都有切身的体会，例如上、下班，如果每个人戴的手表各走各的，没有统一的时间基准，互不相关，不难想象连正常的办公秩序都没有，又如何谈得上步调一致的工作。可能大家都进行过队列训练，一排很多人一起走，要是走的有快有慢，步子有大有小，队列就很难整齐；队列要整齐的条件就是每个人的速度快慢一样、步子大小一样，这就是同步。时间同步是指计时器（如钟表）与标准北京时间之间的误差在规定的范围之内，也称时间统一。

远古时，人们根据所看到的太阳相对于自己的位置，遵循着日出而作、日落而息的规律，安排工作和生活，可以说，这就是最古老的“时间同步系统”。在生产力极不发达和人们活动范围很小的情况下，这种“时间同步系统”虽然极为原始，但其精度已足够用了。

随着社会生产力的不断提高，人类的生产活动和社会活动对时间的精度要求越来越高。例如，我国就出现了日晷、滴漏等计时设备。可以说，正是航海等人类活动的需求，对时间的同步提出了越来越高的要求。

近代随着社会生产力的迅猛提高和科学技术的飞跃发展，人们对时间及由时间的基本单位秒导出的物理量——频率的准确度提出了越来越高的要求。

在导弹和航天试验中，为了实现对导弹、航天器的测量（测量其位置、速度、加速度和飞行姿态）和控制（控制其飞行状态），最早提出了现代时间同步系统的概念和要求。这是由于导弹和航天试验地域辽阔，甚至涉及全球和深空，不可能由单台设备完成测控任务，需要有多台设备和系统，甚至包括天基的系统来完成测控任务，这样的工作必定需要统一的时间。此外，由于导弹和航天器的运动速度很快，因此对其测控需要的时间精度相应就很高。由此可见，没有时间同步系统是无法实现对导弹、航天器的测量和控制的。

进入21世纪以来，随着GPS技术、通信技术和互联网技术的日益普及，授时、对时和定位进入百姓生活，时间同步技术和设备迅速推广普及。

在航空领域，随着机载导弹和对空导弹的速度越来越快，机上航电设备越来越多，以及北斗授时和定位的应用，要求对目标探测、通信、指挥控制和火控的时间同步精度越来越高，在机载航电设备中时间同步系统的地位就变得越来越重要。

时间和时间标准

时间——这是人们再也熟悉不过的概念。我们通常所说的时间一词实际上有两种含义，一种含义指的是时刻，另一种含义指的是时间间隔。时刻是指连续流逝的时间的某一瞬间，它指的是某一事件是什么时候发生的；时间间隔是指两个瞬间之间的间隔多久，它指的是某一事件持续的时间。如2002年3月25日神舟三号飞船顺利发射升空，在太空中遨游7日后顺利返回地面。上面这句话前面的时间就是时刻的概念，而后面的时间则是时间间隔的概念。时间同步系统要实现的是时刻和时间间隔的同步。

在资本主义社会诞生以前，生产力相对较为落后，人们的活动局限在一个很小的范围内，那时世界各地的时间并不统一，每个地方都是根据当地太阳所处的位置来确定本地的时间。虽然各地的时间互不相同，但因为相互之间没有什么来往，因此倒也没有什么矛盾，人们按照各个地方的时间安排自己的活动。

随着资本主义的发展，铁路、航运等先进运输工具不断诞生和改进，使得人们在较短的时间内就可达到较远距离的另一个地方，各地不同时间（地方时）的差别会造成交往中极大的不便。为了解决这一矛盾，有些国家在一国的范围内采用统一的时间，如英国采用格林尼治时间作为全国的统一时间、法国采用巴黎时间等。但这并未解决国与国之间的时间统一问题。1884年召开了国际子午线会议，会议决定以英国伦敦格林尼治天文台子午仪所处的子午线作为全球经度的起算点，并定其经度为0o。而在经度0o测得的时间为标准时，并将每隔15o经度所在地的地方时称为区时，即该经度东西各7.5o以内的地区使用同一区时，这样全球共划分为24个时区，相邻时区的时间相差1个小时整。同时也在180o经度处划出了一条日期变更线，即每一个新日期从此开始，日期变更线两侧的日期相差1天。

世界重要城市所采用的区时如下表

时区	主要城市
东12时区	惠灵顿
东11时区	努美阿
东10时区	堪培拉、墨尔本
东9时区	东京、平壤、汉城
东8时区	北京、台北、香港、马尼拉
东7时区	河内、金边、曼谷、雅加达
东6时区	达卡
东5时区	卡拉奇、伊斯兰堡、喀布尔
东4时区	巴库、第比利斯
东3时区	莫斯科、内罗毕、巴格达、亚丁
东2时区	安卡拉、开罗、雅典、开普顿、布加勒斯特、赫尔辛基
东1时区	地拉那、突尼斯、巴黎、华沙、维也纳、柏林、罗马
中时时区	伦敦、巴马科、阿尔及尔
西1时区	雷克雅未克
西2时区	普拉亚
西3时区	巴西利亚、里约热内卢
西4时区	拉巴斯、布尼诺斯艾利斯
西5时区	纽约、哈瓦那、华盛顿、渥太华、利马
西6时区	墨西哥城、休斯敦
西7时区	盐湖城、丹佛
西8时区	温哥华、旧金山、洛杉矶
西9时区	道森
西10时区	帕皮提
西11时区	阿皮亚

我国是一个幅员辽阔的国家，其疆土从西至东所处的为东5时区、东6时区、东7时区、东8时区和东9时区等5个时区。全国采用以首都北京所在的东8时区，称为北京时间，北京时间比标准时间早8个小时。北京的经度为116o21′30″，北京时间并不是北京的地方时，而是东经120o的地方时，北京时间比北京的地方时早约14.5min。我国主要城市地方时与北京时间的换算见下表。

我国主要城市地方时与北京时间差值表

城市	差值/min	城市	差值/min
北京	-15	昆明	-69
天津	-11	贵阳	-53
哈尔滨	27	济南	-12
长春	21	郑州	-25
沈阳	14	合肥	-11
呼和浩特	-33	南京	-5
太原	-30	上海	6
石家庄	-22	杭州	1
乌鲁木齐	-130	南昌	-6
西宁	-72	福州	-3
银川	-55	武汉	-23
兰州	-64	长沙	-29
西安	-44	南宁	-47
拉萨	-116	广州	-27
成都	-64	海口	-39
重庆	-54	台北	6
注：经度每差1o，时间相差4min，其它地方与北京时间的差值可根据其所在经度计算求得，在东经120o以东者加，以西者减。

世界时

世界时是一种基于地球自转这一物理现象的时间标准。正是由于人们生活在地球上，人们的日常生活和生产活动与地球自转密切相关，“日”的概念就是这样得来的。各种天体东升西落的现象就是地球自转造成的，因此地球自转自然成为最早用来作为计量时间的标准。

人们最早是以真太阳的周日视运动来计量时间的，即所谓的真太阳日。真太阳日就是太阳两次通过观测者天顶（或者说是观测者所在的子午圈）所用的时间。古代日晷测量的就是真太阳日。

近代科学证明不是太阳围绕地球转动，而是地球自转造成了太阳周日视运动的现象，而地球除自转外，还围绕太阳作公转。公转的轨道不是圆，而是椭圆。这使得地球自转一圈的时间（一个恒星日）要并一个真太阳日要短。地球在椭圆的公转轨道上的公转角速度是不一样的，如在近日点附近速度最快，每天61′多，而在远近日点附近速度最慢，每天只有57′多，这导致了一年中真太阳日不是一样长短。

真太阳日虽然直观，测量也较方便，但是它的不均匀性是明显的，一年四季它的长短是在变化的，最长和最短的真太阳日相差达51s，显然不适合作为时间标准。19世纪末，美国天文学家纽康提出了平太阳的概念。

所谓平太阳就是天球上一个假想的点，它在赤道上运动的速度是均匀的，且与真太阳的平均速度一致，它的赤经与真太阳的黄经相差尽量小。平太阳的赤纬δm = 0，赤经的数值表达式为

αm = 18h38m45s.836 8640184s.524T 0s.0929T2

式中αm为赤经；T为从1900.0年算起的儒略世纪数，1个儒略世纪等于365.25个平太阳日。

平太阳两次通过格林尼治天文台天顶的时间间隔为一个平太阳日，而一个平太阳日为24个平太阳时，即86400平太阳秒。以平子夜作为0时开始的格林尼治平太阳时，称为世界时（Universal Time），简称UT。

地球表面的观测者，虽然处在不同的地方，但只要知道观测点的精确经度值，就可将通过天文观测得到的地方平太阳时换算到世界时，其条件就是地球的自转轴不变。19世纪末，天文观测发现地球的自转轴有微小的摆动，地极的这种微小移动称为极移，极移使地球任何地方的经、纬度都发生了小的变化。这就造成了不同地方的观测者把所测得的地方平时按固定不变的经度归算到世界时，它们的结果是不同的。

加上极移改正的世界时称为UT1，即

UT1 = UT0 Δλ

式中UT0为直接测定的世界时，Δλ为极移改正。

Δλ =（X sinλ-Y cosλ）tanΨ

式中λ、Ψ为观测点的经、纬度，X、Y为地极坐标。

1927年发明了石英钟，很快这种稳定的电子钟就被用于守时，并在实际测试中发现了地球自转速率的不均匀些。地球自转速率通常随季节性变化，这是由地球表面上的气团随季节移动引起的，即气团的移动使地球的自转速率发生季节性的变化。

对UT1加上地球自转速率季节性变化改正后的世界时称为UT2，即

UT2 = UT1 ΔTS = UT0 Δλ ΔTS

式中ΔTS为地球自转速率季节性改正。

可以说1955年前采用的时间标准是世界时UT0，而从1956至1960年采用的时间标准是世界时UT2。

历书时

以地球自转为基础的世界时，虽然经过极移和地球自转速率季节性改正得到了UT2，但是其中仍包含由地球自转速率不规则变化而造成的时间尺度的不均匀性。因此人们将时间标准由以地球自转为基础的世界时转到以地球公转为基础的历书时。国际天文联合会决定自1966年起用历书时（Ephemeris Time），简称ET，取代世界时作为时间标准。

历书时以美国天文学家纽康编制的太阳历表为基础，换算关系与世界时相同。历书时的时刻在1900年1月0日12h与世界时是一致的，没有突跳；历书时的秒长等于平太阳时的秒长。

力学时

历书时的稳定性为10-9，在当时被认为是一种均匀的时间标准。历书时虽然比世界时好，但它的测量却需要花费大量的时间，实时性较差，无法用于航天和频率计量等现代科学技术有高实时性要求的场合。由于历书时存在的这些缺点，国际天文联合会1976年通过决议，自1984年起采用力学时取代历书时。

目前天文学常用的力学时有两种：一种是相对于太阳系质量中心的运动方程组以及由此得出的历表，引数用太阳系力学时表示，符号为TDB；另一种是用于地心视位置历表的引数称地球力学时，符号为TDT。

地球力学时TDT是建立在国际原子时TAI基础上的，并规定TAI时刻1977年1月1日0h00m00s为TDT的1977年1月1日0h00m32s.184时刻。32s.184是当时ET与TAI之差的估算值，这是为了使TDT与ET相衔接。

原子时

20世纪物理学得到了迅速发展，尤其是量子力学揭示了物体微观世界的运动规律。由于某种原因当原子从一个能级跳到另一个能级，从而发射或吸收两个能级差的能量的过程称为原子跃迁，发射和吸收的能量以某一频率的电磁波的形式表现出来。利用原子跃迁的原理，物理学家研制出了氨分子频率标准和铯分子频率标准。1967年10月第13届国际计量会议通过了秒长的新定义：

位于海平面上的铯（CS133）原子基态两个超精细能级间在零磁场跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒。

原子时（Atomic Time），简称AT。定义原子时时选定 1958年1月1日0h UT的瞬间作为原子时的历元，即在那一刻UT – AT = 0，以后原子时独立运行。由于技术上的原因，当时并未实现UT – AT = 0这一条件，事后测试结果表明在那一刻UT – AT = 0.0039s，作为历史这一差值一直被保留下来。

国际原子时（TAI）1973年开始建立。国际原子时是由国际时间局（BIH）根据各个实验室按照国际单位制系统设计单位秒的定义运转的原子钟的读数建立的时间参考坐标。

位于海平面上的铯（CS133）原子基态两个超精细能级间在零磁场跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒。

协调世界时

原子时的诞生可以说是时间频率领域里的一场划时代的变革。由于它的秒长和由此定义的频率即准确又稳定，因此从它一诞生就受到当代科学技术和工业的青睐，且几十年来它的稳定度和准确度又提高了几个量级。但是生活在地球上的人类又离不开以地球自转为基础的时间标准——世界时。虽然从原子时的定义可知它的时刻在定义的时候（ 1958年1月1日0h）与世界时是一致的，但是由于地球自转速率的变慢，原子时和世界时之差变得越来越大。因此时间标准面临着一种困惑的局面：如何用一种标准来同时满足性质不同的两种要求。

为了解决既要满足对秒长、频率准确稳定的需求，又要使时刻尽量接近世界时这一困难，1960年国际无线电科学协会和1961年国际天文协会提出了一种国际协调的方案，即协调世界时（Coordinated Universal Time）的初始阶段，由国际时间局公布统一调偏原子钟的频率（相对秒长）的办法，和时刻阶跃的办法。从1961年到1971年协调世界时采用频率调偏130～300×10-10和时刻阶跃0.1s的办法；从1972年1月1日0h起，取消协调世界时的频率调偏，即UTC的秒长与AT的秒长一致，并且每次UTC时刻阶跃必须是一整秒，称为闰秒。