上下四方曰宇,古往今來曰宙。
請隨我們進入“時間”的故事。
時間與空間的不同點在於時間的“流逝性”。因此,時間有一些獨特的性質,但究竟獨特在什麼地方?很多人並不能全面的回答。
時間獨特的地方在於看不見摸不著,但又是客觀存在的。如果仔細觀察,我們就能看到時間的痕跡,感受到時間的作用。
有一個關於時間的謎語:有個東西,它在你身邊,但你卻看不見、聞不著、抓不住、也嘗不了。這個謎語充分說明瞭時間最獨特的性質,它主要體現在三個方面。
首先,時間不能通過生理感覺感知。我們可以看到長度,也可以感覺到質量和溫度。但對於時間,看不見、聽不到、聞不著、也嘗不了,只能通過觀察時間引起的變化來感受時間的存在。
圖1. 溫度可以被感受(圖源:作者)
其次,時間只有一個方向。對於長度,我們可以從西安到北京,也可以從北京到西安。如果我們要稱重一堆物體的重量,可以從這一堆裡的任何一個開始,也可以反反覆覆的稱重。但對時間,我們只能處於現在:過去的現在、現在的現在和將來的現在。
圖2. 在小路任意點都可以往各個方向走
第三,時間是不斷變化的。我們可以給朋友寫信,問他家的桌子有多寬、兩家距離有多遠,他會回信告訴你,這些信息在你收到回信後仍然有用。但如果你問他家的表是幾點了,他寫回信可能會非常頭疼,因為在他寫下時間的那一刻,時間就改變了。
圖3. 寫不出正確的時間(圖源:作者)
時間雖然看不到,但它始終圍繞著我們、無處不在,只要留心,我們就可以感受時間。一個呀呀學語的孩子,如何成長為妙齡少女,又變成耄耋老人?一個種子,如何變成一顆嫩芽,從開花到結果。這些都讓我們感受到時間的流逝。
圖4. 上:“時間”讓一個呀呀學語的孩子變成耄耋老人;下:“時間”可以讓一粒種子開花結果(圖源:作者)
感受時間,難免會加上主觀感覺,不同的人對時間的感覺是不一樣的。相談甚歡的戀人覺得時間稍縱即逝,但監獄中的犯人卻是度日如年。
這就是時間的特性,是獨一無二的。
圖5. 對時間的感受,有稍縱即逝,也有度日如年(圖源:作者)
在現代,時間通常和頻率聯繫在一起,統稱時間頻率。時間頻率目前是實現測量精度最高的物理量。時間頻率信號可以通過電磁波傳播,直接應用於科學研究和工程技術。基於此,高精度時間頻率已經成為一個國家科技、經濟、軍事和社會生活中至關重要的參量,關係著國家和社會的安全穩定。
時間的單位秒作為七個國際基本單位制之一,也是目前能實現的測量精度最高的一個量。現代量子頻標的出現和電子技術的進步,極大地提高了時間頻率計量測試的穩定度和準確度,更使之遙遙領先於其他量值的計量水平。
由於極高的測量精度和直接傳遞的特性,從而使時間頻率計量成為其它量值計量向著量子基準轉化的先導。在1983年第17屆CGPM會議的決議中重新定義了“米”。以前米的定義是根據國際米元器得到的,米長元器隨溫度、氣壓的環境變化而變化,精度並不高。現在定義為光在真空中1/299 792 458秒(約3.3356納秒)所傳播的距離,這極大提高了米定義的實現精度。
長度和時間的這種密切的關係已經被用於導航系統,全球定位系統(GPS)尤其令世人注目。其最基本的原理就是把長度的測量轉化為電磁波傳播時間的測量,將定位精度從基於角度測量的天文導航的幾十公裡提高到十米以內。
完成這種轉換而重新定義的量值還有如電壓單位:伏特(1990年),電阻單位:歐姆(1990年)。德國已經開發出基於時間間隔測量的電容和電阻傳感器,極大的提高了電容和電阻的測量精度和便捷性。
在2019年的國際計量大會上,對七個基本物理量的單位重新進行了定義,所有的物理量都直接或者間接由時間的單位導出。由此可見,時間頻率成為了當今物理量準確計量的基礎。
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作者簡介
李孝輝,中國科學院國家授時中心研究員,博士生導師,國家衛星導航重大專項專家組成員,主要研究時間頻率測量、時間同步、衛星導航。
樊多盛,碩士,中國科學院國家授時中心助理研究員。主要從事精密時間測量、原子鐘控制方法、高精度遠程時間復現技術、時間頻率設備測試方面的工作。
主編:石碩
輪值主編:馬冠一
責編:萬昊宜、袁鳳芳
編輯:趙宇豪、柒 柒
天文科普期刊
《中國國家天文》雜誌
12月紙刊
2020年10大天文事件盤點來啦!
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