纯科学”项目不会带来明确利益的情况下，还应该继续给物理学投入吗？......
2024-11-12 232
谁偷走了麦哲伦的时间？
来源：互联网
2024-11-12 23:30:17 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
作者：于露（中国科学院国家授时中心）
文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）
当年，麦哲伦船队经过环球航行回到葡萄牙时，发现当地日期比他们的航海记录多了一天，时间居然消失了一天！他们一度认为是上帝偷走了他们的时间。
那么今天我们长途旅行后，为什么不会感觉到时间被偷走了？这都是“世界时”的功劳！
地方时：最早的世界时
地方时就是早期的“世界时”，比如我们熟悉的日晷、华表等。那什么叫地方时呢？就是你生活的当地实际时间，而不是你看到的手表、手机、电视等上面显示或者播报的时间。简单的说，就是当地的时间，又称为平太阳时。地方时=北京时间±时差。如果我们没有处于东八区的中央，那么我们的地方时就不是标准的“北京时间”。比如，笔者的家乡黑龙江，每天都是16:30-17:00下班，因为“北京时间”的16:30，在黑龙江实际上是17:00点左右。
那么问题来了，笔者坐飞机从西安回黑龙江，飞行时间3.7个小时，请问笔者回家的过程中是变年轻了，还是变老了？
北京时间13:40西安起飞
北京时间17:20哈尔滨落地
首先，这两个时间都是北京时间坐标下的时间。13:40起飞的时候，西安的地方时还不到13:40，可是笔者17:20到达哈尔滨的时候，这里的人们已经过完了地方时的17:20了。所以，笔者是从一个时间晚到的地方飞到了一个时间早过去的地方。请看下图。
图1 西安到哈尔滨飞行跨越了近5个小时的时区
从12:55:48的西安飞到了17:46:31的哈尔滨，只用了3.7个小时飞了近5个小时的时间，笔者的时间相对于没有飞行的人来说好像是被“偷走了”。而实际上被偷走的时间就是两地的时差。
那么如果有人从西安起飞，到了哈尔滨，继续向东飞去，最后在西安降落，他的时间会少1天吗？
不会的，因为我们有国际日期变更线。
图2 国际日期变更线
（图片来自https://www.slideshare.net）
不过既然说到了国际日期变更线，那么不得不说的还有一个问题，世界上各地的时间是哪里产生，怎么协调的？
世界时：第一个国际统一的时间尺度
世界时（Universal Time，简称UT）使用地球自转周期，以日为基础，分出秒的单位。而世界时的时间就是著名的格林尼治天文台中间的本初子午线的时间。世界时是不均匀的，如果大家对于陀螺的运动比较了解的话，就会知道，我们的极轴在画圈。为了减少极轴对于时间的影响，人们将世界时进行修正，产生了UT1；接着，对四季的变化进行修正，产生了UT2。
图3 穿过格林威治天文台的本初子午线（图片来自网络）
但是随着地球越转越慢，使用世界时的累计误差会让人们逐渐陷入一种昼夜颠倒的生活中。因此，又产生了历书时。
历书时：使用地球公转周期
1960年开始采用历书时。历书时的起始时刻是世界时1900年1月1日0时，在时刻上严格与世界时衔接起来；历书时的秒是回归年长度的1/31556925.9747。历书时的基本单位是年，将年分成秒，是将一个大周期分成了小周期。但是历书时也存在着问题。因为历书时的观测难度非常之大，是通过观察月亮得到的，但是通过望远镜看月亮，想找到准确的边缘那是相当困难的，因此精度非常低，只有10^(-9)s。
为此，科学家们开始寻找更加稳定的时间。
原子时-TAI：极其稳定
原子时是以精确的秒的定义为基础的时间。在1967年的第十三届世界度量衡会议上，决定采用原子时。铯133原子在基态的两个超精细能级结构间零磁场跃迁时，辐射频率的9192631770个周期持续的时间为1秒。选取1958年1月1日世界时的0时为原子时的时刻起点，这样不会造成时间的跳变。事后发现，在该瞬间原子时与世界时的时刻之差为0.0039秒。这一差值就作为历史事实而保留下来。原子时的特点就是极其稳定，能达到10^(-12)，比历书时高1000倍。
图4 世界上第一台铯133原子钟（图片来自维基百科）
但是，使用原子时也是有问题的：
如果完全使用原子时，由于地球自转变慢，按照现在的速度，5000年差一个小时！三万年后，午夜零时太阳就升起来。为了解决这个问题，科学家们又发明了协调世界时。
协调世界时：你每天看到的时间
协调世界时（Coordinated Universal Time），又称世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间。由于英文（CUT）和法文（TUC）的缩写不同，作为妥协，简称UTC。就是你现在看到的手机上的、电脑上的、新闻联播上面的时间。协调世界时是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。
图5 世界时区（图片来自http://www.travelquaz.com）
不过随着地球自转的变慢，当世界时和原子时之差会逐渐积累。相差0.9秒的时候，协调世界时就会选择加一秒或者减一秒。一般放在6月30号或者12月31号的最后一分钟的最后一秒。比如2016年12月31日的60秒。
地方原子时TA(k)：各国实验室的“时间”
地方原子时是指由一个时间频率实验室建立的本地的时间尺度物理信号，成为地方原子时TA(k)。比如著名的美国海军天文台、德国物理技术研究所和我国的国家授时中心等。
必须指出，在天文时间测量系统中，时间基准是由地球的自转或公转运动提供的，不会因为基准钟的“停止运转”而“丢失”时间。以原子频标作为基准钟建立原子时，单一的原子钟会因为使用寿命到期或者会因为外界的原因而停止运转。
目前世界上主要守时实验室，普遍采用以下两种方法建立各自的地方原子时标准：
1. 由高精度实验室初始铯标准定期校准由一组二级标准组成的守时钟组，由守时钟组的统计平均给出原子时。
2. 利用一定数量的商品原子频率标准（如氢脉泽、铯原子钟、铷原子钟等）组成守时系统，联合导出原子时。
通过以上方法，一个守时实验室可以建立本地的原子时时间尺度，通常表示为TA(k)。而TA(k)是一个滞后的“纸面时间”，无法提供实时的时间频率信号。因此，在实际应用中，守时实验室通常会从守时钟组钟选取一台性能较好的原子钟，对其进行频率驾驭，作为守时实验室时间尺度的物理信号，通常将某一实验室提供的物理信号表示为UTC(k)。
我国的标准时间是由国家授时中心保持的，称为UTC(NTSC)
看完本文，不知道大家是不是get到一个tip：那就是出去旅游向西走可以早点到达目的地，向东走可以晚一点回来，实际上并没有差别（手动滑稽）。有兴趣的小伙伴可以来国家授时中心的时间科学馆参观，了解更多关于时间背后的故事。最后祝大家五一愉快！
以上内容由办公区教程网摘抄自中国科普网可供大家参考！
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