一毫秒(一毫秒等于多少秒)

作者/李健(北京天文馆)霍志辉(天津冀州一中)

中国古代经典《周易》中有一句名言:“人日常用而不知”。在天文学中,大量的知识也是如此。大家都习以为常,甚至忘了自己和天文学的关系。最典型的就是时间。昼夜交替、月圆和季节更替为先民提供了三个合适的时间单位——日、月、年。最后,各个古代文明一致确定了年、月、日的计量方法,并制定了各自的历法。此外,将“天”细分为小时、分钟和秒钟也是时间测量史上的重要一步。这一步,人类已经走了3000多年,我们的故事从这里开始。

从36颗星到12小时

公元前1500年前,埃及人已经发明了日晷来计时。他们把日出和日落之间的时间分成12段。晚上,时间由天文观测决定。具体来说,天球用36颗星或旬星分成36段,通过18颗星的升起可以知道夜晚的时间。在这18颗恒星中,有3颗恒星在早晨和黄昏时期很难观测到,其中12颗完全用于夜晚的计时。这相当于把夜晚的长度分成了12段。此外,当时埃及还发明了“水钟”,用于夜间计时。水钟上的刻度分为12等份,相当于中国古代的漏刻。到了古埃及新王国时期(公元前1550-1070年),观星计时系统简化为24星,其中12星用于夜间计时。从此形成了一天把昼夜分为12段和24段的传统。

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古埃及新王国哈索尔神庙天花板上的天文图案。中间是十二生肖,内圈的字是三十六天星。他们是夜晚时间的指示器,他们也可能是参与仪式的神。

但由于昼夜长短随季节变化,所以昼夜这两个12段的长度既不是固定的,也不是相等的,也是随季节变化的。几百年后,古希腊天文学家希帕尔卡斯提出,可以根据春分的昼夜周期(昼夜长短相等)来固定这两个12段,这样就可以把一天平均分成24段。但在接下来的1000年里,人们仍然习惯于将白天和黑夜划分为不同的时间。当时的计时工具有日晷、日晷、沙漏等。虽然精度通常只有几十分钟,但这并不影响我们的日常生活。中国古代殷商时期,人们把一天从日出到日落分为七期,把一夜分为五期,这可能起源于后世。到了西周时期(比希帕克早几百年),已经建立了统一的十二时辰划分方法,以子夜为午夜的中间,与今天的二十四小时相对应。后来到了宋朝,每一个时辰都被平均分为上半部分和下半部分,相当于24小时制。后来民国采用公历和西方二十四小时制,每个时间段是传统十二小时的一半,所以叫“时”。此外,在秦汉时期,中国已经发明了相当精确的漏刻,将一天分为一百刻,即百刻制。

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故宫太和殿前的日晷,十二点分为上下两部分,起源于宋代。

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日本大阪天满宫的十二小时雕塑(来源/维基百科)

十二小时、百小时、五小时制已经成为中国传统文化的重要组成部分。特别值得一提的是,公元1088年宋代天文学家苏颂发明的水运仪天文台的时间误差仅为每天100秒左右,比欧洲同样精度的钟表早了400年。

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水运天文台,由漏刻水力驱动,是集天文观测、天文演示、报时系统于一体的大型自动化天文仪器。它标志着中国古代天文仪器制造史上的高峰,被誉为世界上最早的天文钟。图为水运仪复原平台模型(图片来源/国家天文台)

中世纪的机械钟能精确到秒吗?

14世纪机械钟在欧洲首次出现后,小时的长度是固定的,形成了等分的24小时制。人们开始把一个小时分成60分钟,一分钟分成60秒,一秒钟的长度是1/86400天。这就是“秒”的由来。

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783年瑞士制造的铜镀金花转自鸣钟鸟笼钟,钟面上已经出现了秒针(图片来源/故宫博物院钟表馆)

公元1550年,分针首次出现在机械钟的钟面上,计时精度开始达到分钟的量级。1675年,荷兰物理学家惠更斯利用单摆的“等时性”制成了第一只摆钟,每天的计时误差降到了10秒左右。1759年,英国钟表匠哈里森制作了一个精确的航海钟,每天的误差不到一秒。秒针第一次出现在机械钟的表面。发明日晷3000多年,提出秒的概念400年后,人们终于可以测量秒的长度了。

一秒钟有多长?

工业革命后,由于生产力的飞速发展,无论是商业发展、社会活动还是收发电报,人们对计时的要求越来越高,精度开始超过秒的量级。同时,随着精密计时工具的发明,天文学家发现从天文观测中定义的秒长并不是偶数。因为地球的轨道是椭圆,公转速度不均匀,自转速度也不均匀,忽快忽慢,导致一年的日长变化高达千分之二秒。此外,由于太阳、地球和月球的引力、潮汐摩擦等因素,地球自转在很长一段时间内趋于减缓。日长平均每100年增加1.6毫秒左右,导致“天”定义的秒长不固定。虽然它的变化量只有万分之一,但随着航空航天和军事活动的发展,这样定义的秒长已经不能满足实际需求。但物理学家发现,原子跃迁时发射或吸收的电磁波频率是由高度决定的,在此基础上设计的原子钟可以走得极其均匀。在第十三届国际计量大会(CGPM)上,以秒为单位定义了“原子时”的定义:“海平面铯(133Cs)原子的两个超精细能级之间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周期的持续时间为一个原子时秒”。这个定义取代了以日长定义的秒长,解决了天文时间不均匀的问题,是一个革命性的创举。

一毫秒(一毫秒等于多少秒)

芯片级原子钟,被认为大大提高了全球定位系统(GPS)的定位能力(图片来源/维基百科)

原子秒的定义是时间标准计量史上一场伟大革命的开始。当然,为了人们日常生活的方便,人们希望原子时秒的长度等于(或尽可能接近)天文秒的平均值。在定义原子时时,规定以1958年1月1日世界时0点一刻为原子时起点,即原子时恰好等于该时刻的天文时(即日常生活中使用的世界时),然后原子钟独立运行给出原子时。事实上,由于技术限制,当时的原子时无法调整到与世界时完全一致,原子时比世界时快0.0039秒。现在,这种差异只能作为历史事实保留下来。

原子时是迄今为止最统一的计时系统。现在世界上最精确的原子钟——锶原子光学晶格钟,精度相当于160亿年不差一秒!目前,世界上大多数国家都是用原子钟来产生和维持标准时间,也就是“时间基准”。之后,时间信号通过各种手段和媒介传递给用户,包括短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这整个过程被称为“授时系统”。

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地球的公转轨道是椭圆,公转速度不均匀,自转速度也不均匀。

然而,我们的日常生活中仍然离不开天文时间(即世界时)。比如在导航定位、天文大地测量、deep 空探测等领域,我们仍然需要知道地球自转轴在空之间任意时刻(即世界时)的角位置。这样就需要保持原子时的年、月、日与天文时一致。每当它与天文时间的偏差接近0.9秒时,就人为地加上或减去一秒,称为“跳秒”。到目前为止,已经跳过了20多秒,每次给原子时加1秒,也叫“闰秒”。这个时间系统,包括秒跳跃,是协调世界时。

协调世界时在宏观上是天文的,在微观上是原子的。也就是说,我们钟表中的秒针是以原子时的频率跳动的,但必须始终在天文时左右。这种协调的意义在于,两种时间的差别永远不会超过一秒,可以使人的作息与自然节奏保持同步。UTC很好的解决了时间统一的问题,但是在计算机时代,有些程序会因为不能处理闰秒而带来一些麻烦。

本文摘自《知识就是力量》杂志,作者李健、霍志辉,经删除修改,转载注明出处。

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