上知天文八天文学基础，你应该了解的时间及授时系统（上）

　　时间的意义毋庸置疑，在天文学中的时间就是指确立时间的基准。在人类科技不断前进的过程中，科学家们不断发明更精准的计时工具，建立更加精确的时间尺度。
　　公元前20000年：史前人以在木棍和骨头上刻标记的方式来计时；公元前8000年：埃及文明制定了 12个月每月均为30天的日历；公元前3000年：两河流域的苏美尔人把一年分为12个月，每月30天，每天分为360个周期，每个周期为4分钟；公元前2000年：巴比伦人使用每年354天的月历，每月29天和30天相轮；与此同时，玛雅人 创立了一年260天和365天的日历；公元前1500年：埃及发明第一个移动日晷，将一天分为12个周期。接着又发明一种叫漏刻的计时器。
　　公元前700年：巴比伦人把一天分为相等的12个部分；公元前100年：雅典出现以一天24小时为基础的机械漏刻；公元200年：西方开始引入星期概念；公元400年：中国发展了机械漏刻；公元1100年：日晷在欧洲得到发展；公元1350年：德国钟表匠发明第一个机械闹钟；公元1500年：意大利教堂响起了机械钟声；公元1510年：德国纽伦堡出现带发条的怀表；公元1583年：格里历在罗马、西班牙、葡萄牙、法国和荷兰部分地区生效；公元1656年：荷兰一位天文学家发明自摆钟。（图8.1）
　　公元1660年：伦敦皇家学会提出作利用单摆来确定秒，摆长近一米的单摆，一次摆动的时间长度大约是一秒，秒摆的摆长定为长度的单位；公元1700年：时钟上除时针外又加上了分针；公元1800年：计时精确度到1／100秒；公元1840年：建立格林威治标准时间；公元1850年：计时精确到1／1000秒；公元1884年：华盛顿会议制订 全球时区表，将一个平太阳日的1/86400作为一秒，称作世界时秒；公元1928年：发明石英钟；公元1949年：发明第一台原子钟。（图8.2）公元1950年：计时精确到微秒；
　　公元1960年以前：CIPM（国际计量大会）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day其稳定度在10-8左右。
　　公元1960年：国际计量大会决定采用以地球公转的运动为基础的历书时秒作为时间单位，即将1900年初附近，太阳的几何平黄经为279°41＂48＂.04的瞬间作为1900年1月O日12时整，从该时刻起算的回归年的1/31556925.9747作为一秒。按此定义复现秒的准确度提高到十亿分之一秒；公元1965年：计时精确到毫微秒。
　　图8.2 原子钟
　　公元1967年：CIPM（国际计量大会）依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。即将铯-133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁相对应辐射周期的9192631770倍所持续的时间定义为一秒 。按此定义复现秒的准确度已优于十万亿分之一秒；
　　公元1970年：计时精确到微微秒；公元1972年：建立全球协调时间时；公元1990年：精确到毫微微秒；公元1998年：建立超冷铯原子钟，比微微秒又要精确10万倍；公元2008年：诞生的锶（Strontium87）原子钟，固有频率为429 228 004 229 873，约合430万亿赫兹，更是将精度提高到了10的17次方。
　　公元2013年：据Oates和Ludlow在《科学》杂志上发表的报告，用镱元素（ytterbium）制成的原子钟问世。镱原子钟的固有频率约合518万亿赫兹，比锶原子钟的430万亿赫兹更高。精度也更是高达10的18次方。一、地方时
　　平常，我们在钟表上所看到的＂几点几分＂，习惯上就称为＂时间＂，但严格说来应当称为＂时刻＂。某一地区具体时刻的规定，与该地区的地理经度存在一定关系。例如，世界各地的人都习惯于把太阳处于正南方（即太阳上中天）的时刻定为中午12点，但此时正好背对着太阳的另一地点（在地球的另一侧），其时刻必然应当是午夜12点。如果整个世界统一使用一个时刻，则只能满足在同一条经线上的某几个地点的生活习惯。所以，整个世界的时刻不可能完全统一。这种在地球上某个特定地点，根据太阳的具体位置所确定的时刻，称为＂地方时＂。所以，真太阳时又叫做＂地方真太阳时＂（地方真时），平太阳时又叫做＂地方平太阳时＂（地方平时）。地方真时和地方平时都属于地方时。
　　图8.3 世界时区二、时区
　　1879年，加拿大铁路工程师伏列明提出了＂区时＂的概念，这个建议在1884年的一次国际会议上得到认同，由此正式建立了统一世界计量时刻的＂区时系统＂。＂区时系统＂规定，地球上每15°经度范围作为一个时区（即太阳1个小时内走过的经度）。这样，整个地球的表面就被划分为24个时区。各时区的＂中央经线＂规定为0°（即＂本初子午线＂）、东西经15°、东西经30°、东西经45°……直到180°经线，在每条中央经线东西两侧各7.5°范围内的所有地点，一律使用该中央经线的地方时作为标准时刻。＂区时系统＂在很大程度上解决了各地时刻的混乱现象，使得世界上只有24种不同时刻存在，而且由于相邻时区间的时差恰好为1个小时，这样各不同时区间的时刻换算变得极为简单。因此，一百年来，世界各地仍沿用这种区时系统。（图8.3）三、国际日期变更线
　　规定了区时系统，还存在一个问题：假如你由西向东周游世界，每跨越一个时区，就会把你的表向前拨一个小时，这样当你跨越24个时区回到原地后，你的表也刚好向前拨了24小时，也就是第二天的同一钟点了；相反，当你由东向西周游世界一圈后，你的表指示的就是前一天的同一钟点。为了避免这种＂日期错乱＂现象，国际上统一规定180°经线为＂国际日期变更线＂。当你由西向东跨越国际日期变更线时，必须在你的计时系统中减去一天；反之，由东向西跨越国际日期变更线，就必须加上一天。
　　图8.4 春分点四、春分点、恒星时和平太阳时
　　地球的自转是一个很好的天然时钟，以地球自转为基础，我们可以建立一个很好的时间计量系统。地球自转的角度可以用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。为了测量地球自转，科学家在天球上选取了俩个基本参考点：春分点和平太阳，以此来确定的时间分别称为恒星时和平太阳时。
　　恒星时虽然与地球自转的角度相对应，符合以地球自转运动为基础的时间计量标准的要求，但不能满足日常生活和应用的需要。人们习惯上是以太阳在天球上的位置来确定时间，但因为地球绕太阳公转的轨道是椭圆轨道，所以真太阳周日视运动的速度是不均匀的。为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统，人们引进了一个假想的参考点——平太阳。它在天赤道上做均速运动，其速度与真太阳的平均速度相一致。五、世界时
　　平太阳时的基本单位是平太阳日，1平太阳日等于24平太阳小时，86400平太阳秒。以平太阳也作为0时的开始的格林尼治平太阳时，就称为世界时，简称UT。世界时与恒星时有严格的转换关系，天文学家通过观测恒星得到世界时。后来发现，由于地极移动和地球自转的不均匀性，最初得到的世界时，记为UT0，也是不均匀的，人们对UT0加上极移改正得到UT1，如果再加上地球自转速率季节性变化的静安改正就得到UT2。
　　未完待续……                                夜观星空 天文观测实践指南天文学与数学爱好者学习书观测实践指南社科宇宙科学研究夜空观测 博库网正版畅销书籍                        ￥46.82                                                                购买