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发表于 2009-02-09 08:13 | Tags 标签:, , ,

Shea 编译当从2008年进入2009年的时候,全世界的所有时钟都额外地多加了1秒。到底是谁掌控了我们的时间?让我们来拜会一下全球时间的掌门人。

对于大多数来说,时间是一种“想当然”的东西。日出而作,日落而息。春夏秋冬,又一春。

但究竟什么是时间?我们又是怎么测量它的?时间的速度是不是一尘不变的?时间是否有起点?时间最后会不会终结?

这些绕人的问题看似更适合哲学层面的讨论,但在实际生活中却也是非常重要的。这不单单关系到了解我们在宇宙中的位置,还关系到21世纪全世界的正常运转。

从金融交易到卫星导航,我们每个人都依赖于一个唯一而精确的时间系统。一旦在“时间”问题上出了差错,损失的可能不仅仅是金钱,还有可能是生命。而丹尼斯·麦卡锡(Dennis McCarthy)正是全球时间的掌门人,确保世界上的所有人使用着“正确”的时间。


[图片说明]:丹尼斯·麦卡锡(Dennis McCarthy)。

和地球上的任何人比起来,麦卡锡更深知时间上的同步对于人们的重要性。但如果你不是成天和原子钟打交道的话,你怎么能体会到这一点呢?其实在你的身边就有一个活生生的例子——全球定位系统(GPS)。

GPS通过围绕地球的30多颗卫星向地面的用户发布着高精度的时间戳信号,而这些信号会以光速传播。

空气阻力

通过测量来自不同信号的到达时间差异,GPS就可以计算出你和卫星之间的相对位置,进而计算出你在地球上的位置。但是这一切的前提是,所有的时钟都是同步的。

GPS系统的精度可以达到5米甚至更小,这意味着全世界GPS使用者之间的时间差异必须小于16个纳秒(1纳秒=10-9秒)。说起来容易,做起来难。


[图片说明]:由30多颗卫星组成的全球定为系统(GPS)。

直到1967年“秒”还是使用地球的运动来定义的。这与我们的直觉相符,地球自转一周是24小时,而1小时又包含了3,600秒。

如果地球本身很“守时”的话,那么这个定义无可厚非。但地球偏偏不是。地球的自转每天会变化几千个纳秒,而造成这一变化的大部分是风的作用。

当风吹向山脉的时候,它们就会加速或者减速地球固体部分的转动,并且把这部分固体的转动转移到地球的大气中。

于是过了几年之后,地球自转的这些变化就会使得地球的转动不再和GPS所使用的高精度原子钟同步。

闰秒

这正是麦卡锡所关心的。位于美国首都华盛顿,麦卡锡的工作就是紧盯着地球自转的微小变化,并且设置或者取消“闰秒”。

麦卡锡的这一工作也是国际地球自转和参考系服务的一部分。它会汇总全世界一系列天文台对地球自转的观测数据,而对地球自转的监测则是通过对类星体的观测来完成的。

类星体是极为遥远的星系,其中一些到地球的距离甚至超过了100亿光年。它们的中央则是一个超大质量黑洞,通过吸积物质可以发出相当于千亿颗恒星的光芒。

由于类星体非常遥远,因此它们在天空中的位置相对于地球来说是固定不动的。这样一来它们就形成了一个非常稳定和精确的参考系,由此我们可以用它来测量地球自转的变化,并使得我们的时钟和地球自转同步。

90亿次1秒

“在美国海军天文台我们有许多钟,”麦卡锡说,“原子钟会输出电信号,就像摆钟的摆动一样。”不同的是,摆锤摆动一次需要1秒或者几秒的时间,而原子钟每秒钟可以输出90亿次信号。这就为时间提供了一个非常精细的定义。


[图片说明]:位于美国海军天文台的原子钟。

但是问题好像并没有就此结束,让全世界的时钟同步是另一个更基本的问题。

1905年爱因斯坦的狭义相对论证明不存在绝对的时间。宇宙中任何一个地方的时钟都和其他的时钟有着不同的速率。对于GPS来说,这是一个严重的问题。由于卫星位于引力场较弱的高空而且以高速在轨道上相对于地面运动,这就会使得卫星上的时钟和地面上的每天会差上40,000纳秒。

40,000纳秒就相当于12千米,因此你就会看到问题的严重性。爱因斯坦1905年的狭义相对论和1915年的广义相对论都被用来校正这一时间“漂移”,只有这样GPS才能正常运转,飞机和轮船才能平安到家。

这就是看似简单的让全世界时间同步背后的复杂故事。

[BBC 2008年12月2日]

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45 Responses to “全球时间的掌门人”

  1. 胡天翼说道:

    沙发啦!

  2. Netson说道:

    真早~

  3. 卷心菜说道:

    这人是哪个工作单位的?怎么连基本的信息都不介绍?

    • Shea说道:

      其实文中字里行间都说了,只不过没直说而已。例如:
      1. “位于美国首都华盛顿,麦卡锡的工作就是紧盯着地球自转的微小变化……”告诉了你他工作的地点;
      2. “‘在美国海军天文台我们有许多钟,’麦卡锡说”告诉了你他的工作单位;
      3. “麦卡锡的这一工作也是国际地球自转和参考系服务的一部分。”还告诉了你他所参与国际组织。

  4. Cain.tao说道:

    那市面上的手机GPS啊,什么的定位产品是如何做带高精密定位?

  5. bztx说道:

    我看新闻有可能没500年加一个闰时 不过好像英国不同意 可能泡汤了

  6. xxzc说道:

    太准了...
    让人头晕

  7. xxzc说道:

    1ns=1 000 000 000s!!

  8. water珊说道:

    这项工作真酷

  9. artemix说道:

    bztx大概以为在讨论历法吧

  10. silymore说道:

    比较好奇标准秒是怎么定义的,好像米的定义和秒有关来着

    • Netson说道:

      貌似是和原子的振动有关系……多少次振动就是一秒。

      然后米的定义是光在多少分之一秒内前进的距离

    • Netson说道:

      如果我没有记错的话,好像是銫原子?

    • Shea说道:

      SI秒定义:1967年的第13届国际度量衡会议上通过了一项决议,采纳以下定义代替秒的天文定义:一秒为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。
      SI米定义:1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会:“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度” 。

  11. skysniper说道:

    我怎么记得是潮汐阻力是地球自转变慢的主要原因呢???

    • Shea说道:

      潮汐作用是长期作用,它造成的日长变长的作用大约是每世纪2.3毫秒。但是由于“冰后回弹”(地球上冰层消融造成的地壳上升),这个作用会被削减到大约是每世纪1.7毫秒。

  12. likrrr说道:

    小时候队有关时间的文章非常感兴趣,为啥现在看这个文章感觉有点枯燥,是不是变老的一个症状?

  13. mirror说道:

    不能说这篇文章很好。有几个题目可以作介绍:长期计时和短期计时技术,为什么是GPS是海军的而不是空军的技术?为什么要闰秒?

    另外,今天秒的定义需要给出在地球场里的高度了。

    • Shea说道:

      mirror说道:

      为什么是GPS是海军的而不是空军的技术?

      文中没有说这样的话吧?丹尼斯·麦卡锡在美国海军天文台工作倒是不假,毕竟美国似乎没有空军天文台。

    • Shea说道:

      mirror说道:

      为什么要闰秒?

      从技术上说是为了保证|UT1 − UTC|< 0.9秒。通俗一点讲是为了使得民用时间和地球自转同步,否则就会出现钟面时间为12点的时候太阳才到半空的情况。

      • mirror说道:

        两个回应都不甚满意。这些话题里有些比较“当然”的、但又被人们忽视了的原因。汽车轮船的导航是GPS。飞机是否也能用?不能用的原因是什么?与运动速度是否有关?

        “时间和地球自转同步”意味着什么?人们不会关心是否是12点的时候是否是日当午。差一秒赤道上就要差450米。为了保证导弹的命中精度,必须要维持坐标系统与地球表面实地的一致性。这才是闰秒的根本原因。当然天文望远镜也需要这类的坐标。

        • Shea说道:

          mirror说道:

          这些话题里有些比较“当然”的、但又被人们忽视了的原因。汽车轮船的导航是GPS。飞机是否也能用?不能用的原因是什么?与运动速度是否有关?

          飞机也用GPS。

          • mirror说道:

            如何定义“也用”?比如飞行距离是否用GPS算出呢?至少汽车是这样。

          • Shea说道:

            飞机当然也可以了,甚至有的卫星都要用GPS。

          • zigzed说道:

            飞机也用,但是不是主要设备,因为GPS在精度上距离飞机需要的还有差距,即使使用上AGPS技术。所以GPS在飞机上只是作为辅助设备使用。

            至于导弹,几米的误差就不重要了,所以有GPS精确制导的导弹。另外导弹用的军用信号,精度上更有保证。

        • Shea说道:

          “时间和地球自转同步”意味着什么?人们不会关心是否是12点的时候是否是日当午。差一秒赤道上就要差450米。为了保证导弹的命中精度,必须要维持坐标系统与地球表面实地的一致性。这才是闰秒的根本原因。当然天文望远镜也需要这类的坐标。

          恰恰相反人们很关心这个问题,这是日常习惯的问题。这也是国际天文学联合会以及国际地球自转和参考系服务设置闰秒的原因。就好像闰年要加一天一样,为的就是春分那天在每年的3月21日左右。

          • mirror说道:

            闰年是来自公转,与地面的导航定位无关。而闰秒就意义不同了。

          • Netson说道:

            如果不闰秒,积累起来的误差还是很可观的……到了最后还是得闰分闰时……

        • Shea说道:

          忘了说了,加闰秒是从1972年开始的,而GPS是1994年正式投入使用的。

  14. 13903850930说道:

    晕..太专业啦

  15. azhaoge说道:

    我看了楼主的观点。我对风影响地球自转存有疑问。
    如果楼主所说的风是指附着在地球表面的风的话,那风吹山就好比汽车上的开动着的电风扇一样,根据牛顿的第3定律,一个作用力必须有个反作用力。所以车上开动的风扇吹出来的风不会令车的位置发生改变。再举个例子,当人在车上往前跳踢车的挡风玻璃时车会向前移动么?同样,风是螺旋的,地球是球状的,当风吹向山时风的另一面一样要受到被压缩后空气的推力,而风的另一面一样要吹动这些被压缩后的空气。这样两道力都抵消了,试问地球上的风如何加快地球转动?

    • Shea说道:

      我个人的理解是,因为地球的大气和海洋都不是理想流体,也就是说它们是有粘滞的,因此在相互作用的时候会有能量耗散。所以作用力不一就等于反作用力。举个实际测量的例子,2000年之后的观测发现地球的自转再加速。

    • mirror说道:

      几位的理解不妥。

      逸散是单向的不会时儿快,时儿慢。大气运动的解释应该不错。角动量守恒意味着大气+地球表面以下的部分总和是守恒的。影响着个守恒的部分可以称为“能量耗散”。此外,还有个气体部分(整个大气)与通过地球表面产生的与球体的角动量交换机制。因为大气的质量比较起整个地球来很弱,这个交换量很小。但是如果观测精度很高的话,这个差别可以被测出来。

  16. Justso说道:

    如果我没记错,民用GPS,设计的无补偿差距并不是5米,而是300米,大概一个微秒,而不是16ns。那个5米是利用各种差分补偿算法算出来的。

    • zigzed说道:

      在美国GPS取消了故意的认为干扰后。否则还是300米左右的误差。

  17. maliang说道:

    总是盯着仪器,会不会很枯燥???

  18. Netson说道:

    mirror说的1秒450米是值地球赤道上的自转线速度吧?GPS上的时间和地面上的时间的差距会造成这个误差,而不会造成30万千米的误差——现在GPS定位也考虑电磁波的速度了?

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